彗星中的氘讲述着有趣的故事
研究人员使用NASA詹姆斯·韦伯太空望远镜上的近红外光谱仪（NIRSpec，近红外光谱仪）绘制彗星3I/ATLAS远离太阳时的特定化学成分图。图片来源：NASA、欧洲航天局、CSA、STScI、马丁·科迪纳（CUA，NASA-GSFC）;图像处理：Alyssa Pagan（STScI）
（神秘的地球uux.cn）据《今日宇宙》（作者：Carolyn Collins Petersen）：彗星在天文学史上扮演了有趣的角色。自古以来，许多文化都将他们视为预兆或灵体，预示着国王、王后和皇帝的好消息或坏消息。然而，在过去几百年里，天文学家们一直认真研究这些来访者背后的科学原理。如今，我们知道这些天空中的幽灵是肮脏的冰球和岩石，穿越太空，散布尘埃和气体。
事实证明，彗星在太阳系历史中也扮演着重要角色。每颗星都藏在冰与尘埃中，藏有关于太阳系状况的线索宝库，尤其是在约45亿年前（或更久）前形成于原太阳星云时。如果我们的“母”彗星能做到这一点，想想其他行星系的“外星”彗星能告诉我们银河系中遥远地方的什么信息。
介绍一颗外星彗星
我们有一个完美的例子——彗星3I/ATLAS，这颗星际入侵者于2025年掠过地球和火星之间的内太阳系。它经过地球不到1.8天文单位，形成了一个厚厚的彗发（气体和尘埃云）。天文学家利用詹姆斯·韦伯太空望远镜（JWST）及其高灵敏度的近红外观察镜研究了该彗星的化学成分，发现其富含氘元素。事实上，它所含的氘量是我们“家园”太阳系彗星的30多倍。这让天文学家了解了彗星在其母星系中形成的条件、它的年龄，甚至还有一些关于我们太阳系的信息。
“这是一个难得的机会，研究来自遥远银河系的古代天体，可能早于我们的太阳和太阳系，”美国宇航局戈达德航天飞行中心（位于马里兰州格林贝尔特）的天体化学家马丁·科迪纳说。“一方面，我们能直接了解那个遥远的时间和地点;另一方面，我们了解到我们自己的太阳系可能有多么不同寻常。”科迪纳是发表在《自然》杂志上该研究的第一作者。
彗星中的氘
当彗星接近热源时，它会开始升华并“释放”部分物质。3I/ATLAS也不例外。它在地球和火星之间经过时加热了冰层，导致气体昏迷。JWST上的NIRSpec捕捉到了彗发发出的光谱，这些数据被用来确定彗星中碳和氘的比例。
氘是一个值得研究的元素。它是氢的同位素，在热量存在下存在得不好。我们在自然界中看到的大多数东西都是在大爆炸中形成的。它也可以在恒星中形成，但聚变反应会迅速摧毁它。因此，它喜欢冷的环境。一旦暴露于任何形式的长期加热，它会被重新处理成构成水的氢气。如果你在地球上（或我们系统中任何“自制”彗星）取水样本，它含有一定的氘与氢的比例。氢越多，氘的含量就越少。这是一个有助于确定彗星形成条件的宝贵比率。
目前还没有人确定3I/ATLAS的母系，但高氘与氢的比例表明，它很可能在银河系历史早期就形成于一个极冷的系统中。根据其轨迹，一些天文学家认为其母星系可能位于银河系的薄盘或厚盘中。
此外，他们怀疑它至少形成于100亿年前甚至更早。那时银河系的恒星形成正迅速展开，这也为彗星提供了围绕一颗如今已成古老恒星的诞生地。它在星际空间的旅行并未受到太多加热，这也是它仍然保持高“出生”氘比的原因。换句话说，它大部分时间都处于冷冻状态。
2025年11月26日拍摄的3I/ATLAS双子座北方图像。图片来源：国际双子座天文台/NOIRLab/NSF/AURA/B。博林图像处理：J. Miller 和 M. Rodriguez（国际双子座天文台/NSF NOIRLab）、T.A. Rector（阿拉斯加大学安克雷奇分校/NSF NOIRLab）、M. Zamani（NSF NOIRLab）
碳填满了故事
氘并不是科学团队用JWST研究外星彗星的唯一年龄和化学示踪剂。碳的同位素也为了解彗星的过去提供了线索。与较轻的碳-12相比，NIRSpec仅显示碳-13微量。这也指向了3I/ATLAS的非常古老的起源。这是因为恒星系统随着恒星世代的诞生和消亡，逐渐富含碳-13。当恒星死亡时，它们的碳（以及其他元素）会被太空吸收，最终这些物质会被新一代恒星（以及行星）吸收。这就是为什么我们系统中碳-13含量较高，太阳周围形成于45亿年前，相对较新。
JWST并不是唯一一台研究这颗迷人彗星的望远镜。ESO的超大望远镜观测了这颗彗星，发现了一种称为氰化物的碳和氮化合物。这是一种参与生命形成的前生物化合物，表明无论这颗彗星在哪里形成，都可能具备可能导致生命诞生的条件。
据NASA戈达德团队成员斯特凡妮·米拉姆介绍，在银河系其他地方发现此类化学物质是罕见的。NASA戈达德的米拉姆说：“作为科学家，发现这些稀有同位素令人着迷，但更大的图景是关注银河系其他地方前生物化学的可能性。”“到目前为止，我们只知道浩瀚宇宙中只有一个地方是化学成分引领生命的——我们的太阳系，我们的地球。分析这些星际天体是了解宇宙中生命演化条件有多普遍或罕见的重要一步。”
