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ov 太意外：寒冷的彗星大氣中竟含有氣態(tài)金屬

近日，Nature 刊登了兩篇關(guān)于彗星大氣（成分的最新研究進展，研究人員相繼在太陽系彗星和星際彗星2I/Borisov的寒冷大氣中檢測到以氣態(tài)形式存在的金屬原子。這太意外了，因為這些彗星距離太陽較遠，寒冷的大氣應(yīng)該不足以使金屬升華。
彗星大氣中的氣態(tài)金屬
理論上，當(dāng)彗星距離太陽較遠時，鎳和鐵等重金屬，應(yīng)該以固態(tài)形式存在于彗星的巖石內(nèi)部。含有重金屬原子的氣體通常只有在高溫的環(huán)境中（溫度超過700開爾文）才能被觀測到，比如超熱的系外行星的大氣層或近距離飛掠太陽的彗星，如池谷·關(guān)彗星（C/1965 S1，1965年10月2日與太陽表面距離約45萬千米）。
比利時的天文學(xué)家利用歐洲南方天文臺（ESO）的甚大望遠鏡（VLT）對20多顆彗星的光譜數(shù)據(jù)進行分析，發(fā)現(xiàn)在這些彗星大氣中存在鐵原子和鎳原子的譜線，而這些彗星在被觀測時距離太陽都較遠，最遠距離可達4.8億千米（3.2AU，AU：天文單位，1AU約等于1.5億千米）。
ov 太意外：寒冷的彗星大氣中竟含有氣態(tài)金屬
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圖1.彗星C/2016 R2 （PANSTARRS）的光譜，鐵線（藍色），鎳線（橙色）? 圖源: ESO/L. Cal?ada, SPECULOOS Team/E. Jehin, Manfroid et al.
另外，波蘭的兩位青年天文學(xué)家利用VLT于2020年1月28日、30日和31日對星際彗星2I/Borisov進行了觀測。觀測時彗星的平均日心距和地心距分別為2.322 AU（環(huán)境溫度約180開爾文）和2.064 AU，平均速度為19.16 km/s。結(jié)果表明2I/Borisov的部分光譜上存在9條發(fā)射線，經(jīng)反復(fù)測試和檢驗，證實這些發(fā)射線為原子鎳蒸氣的光譜特征。
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圖2.星際彗星2I/Borisov的光譜，鎳線（橙色）? 圖源:ESO / L. Cal?ada / O. Hainaut / P. Guzik & M. Drahus.
金屬原子生成機制
為了解釋彗星冰冷的大氣中金屬原子的來源，研究人員提出了一個金屬原子釋放模型。該模型認為在低溫下金屬原子可以通過光致離解的過程由一個含金屬分子釋放——光子會在光致離解過程中分解化合物。
含金屬分子的來源可能是從彗星表面溢出的有機金屬化合物。受太陽輻射后彗發(fā)中有機金屬化合物發(fā)生分解，進而釋放出金屬原子鐵和鎳。這些化合物可能是由一氧化碳分子與金屬原子結(jié)合組成的金屬羰基絡(luò)合物（metal carbonly complexes）；也有可能是由多個苯環(huán)組成的碳氫化合物結(jié)合金屬離子形成的金屬鍵合多環(huán)芳香烴（metal-bonded polycyclic aromatic hydrocarbon）。
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圖3.彗星釋放金屬原子示意圖（碳-灰色，氧-紅色，氫-白色）?圖源：Nature
研究表明，2I/Borisov中的含鎳分子壽命較短，在距太陽1AU的環(huán)境下，其壽命為340秒，產(chǎn)生速度為每秒0.9×1022個原子。
星際彗星的起源
所有的彗星都是在環(huán)繞年輕恒星的原始圓盤上形成的，這些圓盤保存了一個行星系統(tǒng)古老的歷史遺跡。
光譜研究表明2I/Borisov的成分與太陽系彗星類似，都包含CN、C?、 NH?、 OH、 HCN、CO和鎳等成分，只是CO的含量比太陽系內(nèi)的彗星更高。太陽系內(nèi)的彗星與2I/Borisov成分之間的相似性表明，2I/Borisov與我們的太陽系有一個共同的未知誕生地。一氧化碳含量高表明，2I/Borisov形成于一個非常寒冷的地方。
科學(xué)家推測，2I/Borisov可能起源于銀河系中最常見的一種恒星——紅矮星。紅矮星比太陽小得多，也暗得多，所以它們周圍形成行星的物質(zhì)比構(gòu)成我們太陽系的物質(zhì)要冷得多。
2I/Borisov進入太陽系的原因
【 ov|太意外：寒冷的彗星大氣中竟含有氣態(tài)金屬】在我們的太陽系中，彗星會受到木星和土星等大行星的引力擾動，飛向其他恒星系統(tǒng)，從而完全擺脫太陽引力的影響。同樣，科學(xué)家們認為，在紅矮星系統(tǒng)中也存在大質(zhì)量行星，把2I/Borisov推送到了進入我們太陽系的軌道上來。當(dāng)2I/Borisov與我們的太陽系近距離接觸時，開始釋放氣體，向我們展示了它內(nèi)部的物質(zhì)。
啟示
2I/Borisov的鎳豐度與太陽系彗星相似表明氣態(tài)鎳可能存在于銀河系的各個角落的彗星大氣中。鑒于2I/Borisov未知的化學(xué)組成和物理演化史，這種相似性是驚人的，如果我們能解開太陽系內(nèi)的彗星和星際彗星中鐵和鎳的起源之謎，那么我們可能會揭開不同行星系統(tǒng)之間發(fā)生的有機化學(xué)機制。未來幾年，隨著越來越先進的望遠鏡和儀器的投入使用（如LSST、WFST、ALMA、 SKA等），天文學(xué)家預(yù)計會發(fā)現(xiàn)更多星際天體和關(guān)于彗星的秘密。
參考資料：
[1] J. Manfroid, D. Hutsemékers, E. Jehin, Iron and nickel atoms in cometary atmospheres even far from the Sun, Nature volume 593, pages372–374 (2021)

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