太意外：寒冷的彗星大气中竟含有气态金属

近日，《Nature》刊登了两篇关于彗星大气（成分的最新研究进展，研究人员相继在太阳系彗星和星际彗星2I/Borisov的寒冷大气中检测到以气态形式存在的金属原子。这太意外了，因为这些彗星距离太阳较远，寒冷的大气应该不足以使金属升华。

彗星大气中的气态金属

理论上，当彗星距离太阳较远时，镍和铁等重金属，应该以固态形式存在于彗星的岩石内部。含有重金属原子的气体通常只有在高温的环境中（温度超过700开尔文）才能被观测到，比如超热的系外行星的大气层或近距离飞掠太阳的彗星，如池谷·关彗星（C/1965 S1，1965年10月2日与太阳表面距离约45万千米）。

比利时的天文学家利用欧洲南方天文台（ESO）的甚大望远镜（VLT）对20多颗彗星的光谱数据进行分析，发现在这些彗星大气中存在铁原子和镍原子的谱线，而这些彗星在被观测时距离太阳都较远，最远距离可达4.8亿千米（3.2AU，AU：天文单位，1AU约等于1.5亿千米）。

彗星C/2016 R2 （PANSTARRS）的光谱，铁线（蓝色），镍线（橙色）￨ 图源: ESO/L. Calçada, SPECULOOS Team/E. Jehin, Manfroid et al.

另外，波兰的两位青年天文学家利用VLT于2020年1月28日、30日和31日对星际彗星2I/Borisov进行了观测。观测时彗星的平均日心距和地心距分别为2.322 AU（环境温度约180开尔文）和2.064 AU，平均速度为19.16 km/s。结果表明2I/Borisov的部分光谱上存在9条发射线，经反复测试和检验，证实这些发射线为原子镍蒸气的光谱特征。

星际彗星2I/Borisov的光谱，镍线（橙色）￨ 图源:ESO / L. Calçada / O. Hainaut / P. Guzik & M. Drahus.

金属原子生成机制

为了解释彗星冰冷的大气中金属原子的来源，研究人员提出了一个金属原子释放模型。该模型认为在低温下金属原子可以通过光致离解的过程由一个含金属分子释放——光子会在光致离解过程中分解化合物。

含金属分子的来源可能是从彗星表面溢出的有机金属化合物。受太阳辐射后彗发中有机金属化合物发生分解，进而释放出金属原子铁和镍。这些化合物可能是由一氧化碳分子与金属原子结合组成的金属羰基络合物（metal carbonly complexes）；也有可能是由多个苯环组成的碳氢化合物结合金属离子形成的金属键合多环芳香烃（metal-bonded polycyclic aromatic hydrocarbon）。

彗星释放金属原子示意图（碳-灰色，氧-红色，氢-白色）￨ 图源：Nature

研究表明，2I/Borisov中的含镍分子寿命较短，在距太阳1AU的环境下，其寿命为340秒，产生速度为每秒0.9×10²²个原子。

星际彗星的起源

所有的彗星都是在环绕年轻恒星的原始圆盘上形成的，这些圆盘保存了一个行星系统古老的历史遗迹。

光谱研究表明2I/Borisov的成分与太阳系彗星类似，都包含CN、C₂、 NH₂、 OH、 HCN、CO和镍等成分，只是CO的含量比太阳系内的彗星更高。太阳系内的彗星与2I/Borisov成分之间的相似性表明，2I/Borisov与我们的太阳系有一个共同的未知诞生地。一氧化碳含量高表明，2I/Borisov形成于一个非常寒冷的地方。

科学家推测，2I/Borisov可能起源于银河系中最常见的一种恒星——红矮星。红矮星比太阳小得多，也暗得多，所以它们周围形成行星的物质比构成我们太阳系的物质要冷得多。

2I/Borisov进入太阳系的原因在我们的太阳系中，彗星会受到木星和土星等大行星的引力扰动，飞向其他恒星系统，从而完全摆脱太阳引力的影响。同样，科学家们认为，在红矮星系统中也存在大质量行星，把2I/Borisov推送到了进入我们太阳系的轨道上来。当2I/Borisov与我们的太阳系近距离接触时，开始释放气体，向我们展示了它内部的物质。

启示

2I/Borisov的镍丰度与太阳系彗星相似表明气态镍可能存在于银河系的各个角落的彗星大气中。鉴于2I/Borisov未知的化学组成和物理演化史，这种相似性是惊人的，如果我们能解开太阳系内的彗星和星际彗星中铁和镍的起源之谜，那么我们可能会揭开不同行星系统之间发生的有机化学机制。未来几年，随着越来越先进的望远镜和仪器的投入使用（如LSST、WFST、ALMA、 SKA等），天文学家预计会发现更多星际天体和关于彗星的秘密。

参考资料：

[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)

[2] Piotr Guzik, Michał Drahus,Gaseous atomic nickel in the coma of interstellar comet 2I/Borisov,Nature volume 593, pages375–378 (2021)

[3] Guzik, P. et al. Initial characterization of interstellar comet 2I/Borisov. Nat. Astron. 4, 53–57 (2020).

[4] Jewitt, D. & Luu, J. Initial characterization of interstellar comet 2I/2019 Q4 (Borisov). Astrophys. J. Lett. 886, 29 (2019)

[5] M. A. Cordiner et al., Unusually high CO abundance of the first active interstellar comet, Nature Astronomy, Volume 4, p. 861-866 (2020)

作者简介

史建春

中国科学院紫金山天文台副研究员，研究领域：彗星的物理属性和活动性研究、彗星观测和测光、彗星长期光变研究等。

轮值主编：赵海斌

编辑：王科超