著名彗星的氧氣之謎，有了唯一的解釋

2015年，歐洲空間局的羅塞塔號探測器在丘留莫夫-格拉西緬科（67P）彗星上獲得了一項驚人的發現。這顆彗星迸發出了格外豐富的分子氧，這種現象前所未見。

科學家必須爲此找到一種合理的解釋，而這意味着需要重新思考我們目前已知的關於早期太陽系化學的一切知識。

羅塞塔號與67P彗星的藝術家暢想圖。| 圖片來源：ESA/Rosetta/NAVCAM

但是，一項新的分析卻表明，羅塞塔號的發現可能並沒有科學家最初想象的那般奇怪。相反，新研究認爲，這顆彗星看上去比實際擁有更多氧。這是因爲，彗星上應該存在兩個內部儲存庫，那就像給我們製造了一種“幻覺”，彗星形成時實際上並沒有那麼高的氧丰度，但它累積下了一些被困在彗星上層的氧，然後一下子都被釋放出來了。研究已於近日發表在《自然·天文學》上。

罕見的分子氧

分子氧指的是以雙鍵連接的兩個氧原子。雖然分子氧在地球上很常見，但它們在整個宇宙中其實格外罕見。這類分子會很快與其他原子和分子結合，特別是普遍存在的氫和碳原子，因此分子氧僅僅會在少數分子云中現身，而且數量稀少。這讓許多研究人員相信，形成太陽系的原太陽星雲中的氧，可能都差不多被“挖”走了。

然而，當羅塞塔號發現分子氧從67P彗星中涌出時，一切都被顛覆了。在此之前，沒有人在彗星上發現過分子氧。在彗星明亮的彗發（也就是彗核四周向外膨脹的彗星大氣層）中，分子氧的丰度僅次於水、二氧化碳和一氧化碳。這種現象顯然需要一些解釋。

分子氧似乎與水一同從彗星上脫落，這讓許多天文學家懷疑，這些氧要麼是原始的，要麼就是在彗星形成後來自彗星內部的水。如果它們是原始的，就意味着它們在太陽系誕生之時就和水綁定在了一起，並在彗星後來形成時聚集在之上。

但無論哪種情況，這些設想都存在比較大的概念問題，比如，爲什麼在彗星形成時會存在如此高水平的氧，或者這麼大量的氧是如何在彗星中產生的。

氧和水的複雜關係

在新的研究中，研究人員決定更細緻地瞭解分子氧和水之間的關係。

67P彗星呈啞鈴狀，並在逐步旋轉，每一端（或者叫半球）都在不同的位置時面向太陽，換言之，和地球類似，這顆彗星也有季節性，在6.5年的週期中經歷着不同季節。在很短的時間裡，揮發性物質有可能隨着季節的變化而解凍和重新凍結，從而開啓和關閉。

67P/丘留莫夫-格拉西緬科彗星，彗星呈啞鈴狀。| 圖片來源：ESA/Rosetta/NAVCAM

利用這些季節的優勢，研究團隊在彗星的南半球剛剛進入夏季之前，以及在其夏季剛剛結束時再次檢查了短期和長期的分子數據。他們發現，那種分子氧-水的聯繫似乎並非一直存在的。

隨着南半球轉離，並離太陽足夠遠時，分子氧和水之間的聯繫就消失了。脫離彗星的水量急劇下降，相反，分子氧似乎與二氧化碳和一氧化碳存在着緊密聯繫，彗星仍然在排出這些氣體。

根據先前提出的解釋，這是不可能的。如果分子氧是原始的，並在其形成過程中和水聯繫在了一起，就不應該會出現這種季節性的變化。

兩個儲藏庫

團隊在分析後提出了新的想法。他們認爲，彗星的分子氧並非來自水，而是來自兩個儲藏庫，其中一個由氧、一氧化碳和二氧化碳組成，位於彗星巖核深處，另一個更接近表面的淺袋中，分子氧在那裡與水冰分子化學結合。

分子氧和其他揮發性分子釋放的示意圖。兩個插圖展示了一個深層的二氧化碳、一氧化碳和分子氧的儲藏庫（乳白色的圓點），它不斷地從67P彗星上釋放出其內容分子。藍點代表分子氧，它們在從深層儲藏庫向表面移動時被困在了水冰中（藍色的H2O-O2），形成一個較淺的儲藏庫，只有在表面變暖和彗星足夠接近太陽時纔會釋放其內容分子。彗星前方的線段（右下方和左上方）是新研究分析的時段。在後近日二分點之後的線段中，從藍色到奶油色的變化代表團隊發現排放的分子氧不再與水相關，而是與一氧化碳和二氧化碳相關。| 圖片來源：Johns Hopkins APL/Jon Emmerich

具體來說，一個深層的分子氧、一氧化碳和二氧化碳的冰庫不斷釋放出氣體，因爲它們都會在非常低的溫度下汽化。

然而，當分子氧從彗星的內部向表面穿越時，一些化學成分會插入水冰，也就是彗星核的主要成分，形成第二個較淺的分子氧儲藏庫。但是，水冰蒸發的溫度要比分子氧高得多，所以在太陽充分加熱表面並蒸發水冰之前，分子氧就被卡住了。

結果便是，分子氧可以在這個淺層儲藏庫中長期積累，直到彗星表面被加熱到足以使水冰汽化，並釋放出比彗星中實際存在的氧豐富得多的羽流。換句話說，測得的氧丰度並不一定反映出它的實際丰度。

因此，季節性的變化也隨之出現。當太陽加熱表面時，分子氧與水明顯相關，而當表面遠離太陽並且彗星足夠遠時，它們則與二氧化碳和一氧化碳更強地相關。這種搖擺不定正是羅塞塔觀察到的情況。

唯一的解釋

團隊認爲，這不僅是一種解釋，而是唯一一種解釋，因爲沒有其他的可能性，尤其考慮到羅塞塔號觀測到的那些趨勢。

考慮到分子氧的水平仍然高於在大多數分子云中觀測到的量，探索顯然還沒有結束。接下來，團隊還希望通過研究彗星的次要分子，比如甲烷和乙烷，以及它們與分子氧和其他主要分子的相關性，進行更深入的探索。這可能有機會幫助研究人員更好地瞭解彗星上冰的類型。

#創作團隊：

編譯：Gaviota

排版：雯雯

#參考來源：

https://www.jhuapl.edu/NewsStory/220310b-comet-67p-abundant-oxygen-more-an-illusion

https://physicsworld.com/a/mystery-of-comet-67ps-abundant-oxygen-is-solved/

#圖片來源：

封面圖：ESA/Rosetta/NAVCAM

首圖：ESA/Rosetta/NAVCAM