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在寒冷彗星上,发现了意想不到的重金属
2022-11-24

来源:原理

彗星是由尘埃、冰、气体和岩石组成的小型天体,其半径通常只有几千米。当它们靠近太阳时,温度的升高会导致彗星上的冰和其他挥发性物质升华为气体。这一过程会在彗核的周围形成模糊的包络和独特的彗尾。

目前,通过一些天文观测,天文学家已经确定了大量彗星的化学成分。一直以来,他们都知道在彗星的内部结构中有重金属存在。但是,由于那些距离太阳遥远的彗星的表面温度大多很低,而固态金属通常无法在低温下升华,因此天文学家并没有在这些寒冷彗星的大气层中探测到金属。

现在,两项最新发表在《自然》杂志的研究带来了令人惊讶的新发现。

第一项研究是由三位来自比利时的天文学家完成的。他们通过分析由光学望远镜——甚大望远镜(VLT)收集的数据,对在过去二十年中探测到的所有彗星进行了分析。

在光学波长上,彗星发出的光谱上具有不同分子或者分子碎片(如羟基、氰化物等)的发射特征。一直以来,还没有在彗星光谱中发现铁、镍,以及其他金属元素的踪影。在新研究中,他们先是利用原子模型来预测当被太阳光照射时,铁和镍会发出有着怎样的波长和强度的光。然后,他们在大量太阳系的彗星的光谱中,确定了数十条铁原子和镍原子的发射线。

这些彗星大约形成于46亿年前,那时我们的太阳系还非常年轻。据研究人员估计,最遥远的彗星的温度只有大约150K。一直以来,彗星上的重金属都被认为与高温环境有关,这是首个在寒冷彗星的大气层中发现重金属的例子。

通过分析铁原子和镍原子发出的光的空间分布,他们计算出在彗星的大气中,每100千克的水,只有约1克的铁,以及大致相同数量的镍。如此微小的含量是这些金属元素难以被识别的一个原因。 而铁和镍在彗星大气中的含量大致相等一事,也让研究人员感到惊讶,因为这与通常出现在太阳系中的其他天体上的情况不同。例如在太阳和陨石中,铁的含量通常是镍的10倍。

这究竟是为什么?研究人员猜测,这些铁和镍可能来自靠近彗核表面的某种特殊材料,可以在很低的温度下升华,并以大致相同的比例释放铁和镍。虽然研究人员还不能确定究竟是种什么样的材料,但可以确定的是,这样的新发现能为天文学家理解早期太阳系提供新思路。

第二项研究是由两位来自波兰的天文学家进行的。2020年1月,他们使用VLT,在冰冷的星际彗星2I/Borisov周围,也探测到了由镍蒸汽发出的光。

2I/Borisov是一颗来自太阳系之外的彗星。2019年8月31日,这颗彗星在飞掠太阳系时被VLT捕捉到。有趣的是,天文学家发现这颗星际彗星的行为和自由基的组成,意外地与太阳系中的普通彗星很相似。

星际彗星2I/Borisov的表面的可能样貌。| 动图来源:ESO/M。 Kormesser

基于这样的异常现象,有科学家提出2I/Borisov可能是一个更大的、类冥王星天体的碎片;又或者是在一颗比太阳更小、更冷的恒星周围形成的天体。

研究人员分析了2I/Borisov的低温大气中的气态镍含量,发现这颗彗星大气中的镍丰度与第一项研究中所述的太阳系中的彗星相似。这样的发现令研究人员大感震惊,因为当2I/Borisov被观测到时,它与太阳的距离约为3亿千米,是地日距离的两倍。天文学家不敢相信真的会有镍原子存在于离太阳那么远的彗星上。不过在进行了多个测试和检查之后,他们说服了自己。

鉴于天文学家并不知道2I/Borisov的起源,这样的发现的确令人惊讶。在此之前,重金属原子气体只在高温环境中被观察到过,比如超级系外行星的大气层中或飞掠太阳时因距离太阳太近的彗星中。如果天文学家能够找到普通彗星和这个星际彗星中铁和镍的起源,或许他们将能揭示不同行星系统之间的有机化学故事。

这些彗星携带着关于它们起源的信息。新的发现让天文学家突然意识到,在远离太阳的低温彗星的大气中,存在重金属铁和镍;而气态镍可能存在于银河系的各个角落的彗星大气中。结合这两项研究,我们发现来自太阳系之外的2I/Borisov彗星与太阳系内的彗星拥有比我们以为的还要多的共同点。这意味着,在其他行星系统中,也可能存在着与我们太阳系的彗星类似的东西。