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实验证实彗星确有“染发偏好”
发布时间:2021-12-31     作者:   来源:刘孜铭   分享到:

    总有些家伙在太阳系中“打雪仗”,每隔一段时间,柯伊伯带和奥尔特云就会向内太阳系投掷一些星系“雪球”——由冰、尘埃和岩石组成的46亿年前的太阳系残留物,也就是我们所熟知的彗星。

    这些彗星在接近太阳时,许多彗星的头部会变成一种光芒四射的绿色,当它们接近太阳时会变得更加明亮。彗星还总是有着一条或者两条尾巴,这也是彗星的别名“扫把星”的由来。然而,彗星却从来只是将“头发”染成绿色,这种颜色在到达彗尾之前就消失了。

    双原子碳带来的“一头绿发”

    彗星的“染发偏好”已经困扰了科研人员近一个世纪。早在上个世纪我们就知道了彗星头部绿色的来源——双原子碳,它是由两个碳原子粘在一起组成,在化学生产中是富勒烯的中间产物,性质很不稳定,在宇宙中几乎只能在恒星大气层、彗星和星际物质等极高能且低氧的环境中找到。

    要知道,彗星本身是不会发光的,但当彗星靠近太阳并因此开始升温时,彗星上由冰、尘埃和岩石组成的彗核受热升华,会释放出挥发性气体和一部分尘埃,形成一个不稳定的大气层,即彗发。彗发中的尘埃会反射太阳光,一些分子会在太阳光下发生复杂的分解反应,光电离而生成离子态物质,它们的电子会因此在激发态和基态间反复横跳,不断辐射出对应频率的光。而彗发在太阳光和太阳风的压力作用下被吹飞,在背向太阳的方向上就会进一步被拉长形成彗尾。

    由于离子本身受到太阳风的作用远比尘埃更为强烈,因此彗尾中的离子部分总是严格指向背对太阳的方向,而尘埃部分则会被拖拽向彗星的轨道方向,当两者方向不一致时,彗星就会出现两条尾巴。

    双原子碳在彗星靠近太阳之前并不存在。原本生活在冰冷彗核上的有机物质,在靠近太阳的过程中升华进入彗发,太阳光分解了这些有机分子,产生了双原子碳,而双原子碳中的电子受激辐射出绿光,为带有这些有机物质的彗星染上“一头绿发”。然而奇怪的是,绿色却仅局限于彗发中,并未延伸到彗尾。

    模拟实验找到“染发偏好”原因

    早在20世纪30年代,物理学家格哈德·赫茨伯格就推测这种现象或许是由于太阳光进一步破坏了双原子碳结构而形成的。这是因为双原子碳本身是一种极为活跃的分子结构,在“危机四伏”的太阳风中恐怕撑不了一时半会儿。

    随着彗星越来越接近太阳,太阳光会先分解彗星中的有机分子生成双原子碳,这一过程被称为光解离,然而随即这些双原子碳分子又继续被紫外线分解。太阳风中的极端紫外辐射确保了在光解离过程中产生的双原子碳在远离彗核之前便被全部摧毁,这就导致彗发的绿色部分体积缩小并变得更亮,同时也确保了绿光不会蔓延至彗尾。

    由于双原子碳本身极不稳定,赫茨伯格的理论很难设计实验进行测试。不过,澳大利亚新南威尔士大学的化学研究团队还是找到了在实验室中测试这一化学结构的方法,并且取得了进展。“我们已经证明了双原子碳结构被阳光分解的机制。”研究负责人蒂莫西·施密特说。

    为了设计实验探索双原子碳分解之谜,研究团队需要在地球上的受控环境中实现宇宙空间中的化学过程。“首先,我们必须制造出这种过于活跃因而无法存储的分子。”施密特说,“毕竟它可不是能从超市里买到的商品。”

    研究人员选择从另一种更大的分子——全氯乙烯中获取双原子碳,利用高功率紫外激光轰击其中的氯原子,便可以将双原子碳剥离。然后,这些新制造的双原子碳分子会被送入长约2米的真空室中,2个紫外激光器将指向在真空室中的双原子碳,以便将其破坏。紫外线会撕裂双原子碳分子,并且将其中的碳原子送向真空室尽头的速度探测器。通过分析这些原子的速度,研究团队可以将双原子碳中化学键的强度测量到约0.005%的精度,从而和太阳风中的紫外线强度进行比对。由于紫外线本身不可见,设计和安排实验本身非常困难,施密特的研究团队花费了9个月的时间才得以进行第一次观测,不过好在他们最终还是揭开了这一存在了90余年的谜题。

    太阳系中大约有3700颗已知的彗星,可能还存在数十亿颗未知的彗星。它们对地球的影响可能比很多人想象中的还要重要。毕竟生命起源的理论之一,便是彗星或许曾经将最古老的生命,或是生命诞生的基石——复杂有机物,送到了地球上。现在,彗星缺失的绿色尾巴之谜终于被解开,但是关于彗星更多的谜团却仍旧亟待解决,或许时间将会告诉我们更多关于彗星的真相。


    (作者系国家天文台星系宇宙学团组硕士,文章来源于中国国家天文公众号)


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