破解色彩之謎：為什么彗星會(huì )發(fā)出綠色的光？
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彗星有頭有尾，從形狀來(lái)看，更像是一把倒掛著(zhù)的掃帚。在中國民間，彗星的名聲并不太好，老人們認為其寓意不詳，因此又稱(chēng)其為“掃帚星”或“災星”。
事實(shí)上，彗星僅僅只是圍繞太陽(yáng)運動(dòng)的普通天體，亮度和形狀會(huì )隨日距變化而變化，并呈現云霧狀的獨特面貌。目前，人類(lèi)已經(jīng)觀(guān)測記錄的彗星數量達 1700 余顆，最著(zhù)名的便是大家耳熟能詳的哈雷彗星。
不過(guò)，一個(gè)問(wèn)題卻一直困惑著(zhù)天文學(xué)家，那就是為什么有一些彗星會(huì )發(fā)出綠色的光？近日，一個(gè)來(lái)自澳大利亞的研究團隊宣布，他們首次在實(shí)驗室發(fā)現了彗星背后的色彩呈現機制[1]。
相關(guān)研究結果于 2021 年 12 月 28 日發(fā)表在 PNAS 期刊，該論文以《二碳的光解：自然界如何打破不尋常的多重鍵》（Photodissociation of dicarbon: How nature breaks an unusual multiple bond）為題，第一作者是澳大利亞新南威爾士大學(xué)的學(xué)者賈斯敏·博索夫斯基（Jasmin Borsovszky）。
彗星發(fā)光機制首次得到驗證
通常來(lái)說(shuō)，彗星是由彗頭和彗尾兩大部分組成，其中，慧頭又分為彗核和彗發(fā)。當彗星在接近太陽(yáng)時(shí)，彗尾會(huì )變得越來(lái)越長(cháng)，據天文觀(guān)測數據，“其最長(cháng)可達 2 億多千米”。
長(cháng)期以來(lái)，人們一直觀(guān)察到彗星的彗發(fā)通常是綠色的，而彗尾則不是。
以洛夫喬伊彗星為例，該彗星的軌道非常接近太陽(yáng)，也一直被認為是最活躍、最明亮的彗星之一。當它掠過(guò)地球時(shí)，天文學(xué)家們發(fā)現，其慧頭被一層朦朧的綠色光環(huán)所包裹。
此前，這種綠光被猜測來(lái)自一種叫做二碳（C 2）的活性分子，其在光解作用下會(huì )不斷揮發(fā)顏色。
該猜測來(lái)自德國物理、化學(xué)家格哈德·赫茨伯格（Gerhard Herzberg），同時(shí)，其也是 1971 年諾貝爾化學(xué)獎得主。早在 20 世紀 30 年代，他就開(kāi)始研究宇宙中的分子光譜，并猜測彗星發(fā)光的背后可能涉及一種氣態(tài)碳分子的光解過(guò)程。
與大氣中的對應物不同，由于其反應性，C 2 僅存在于稀薄或充滿(mǎn)活力的環(huán)境中，例如火焰、彗星、恒星和漫射星際介質(zhì)中。
由于無(wú)法直接觀(guān)察，這種光解機制對人類(lèi)來(lái)說(shuō)還是神秘而未知的。
“我們首次在實(shí)驗室中觀(guān)察到 C 2 的光解，并在此過(guò)程中以前所未有的精度確定了它的鍵解離能?！辈┧鞣蛩够f(shuō)道。
為了驗證這種光解機制，該團隊使用紫外激光將氯原子從氯化碳分子中分離出來(lái)，只留下碳分子，然后用一種高強度的光對其進(jìn)行“沖擊”，從而觀(guān)察接下來(lái)的化學(xué)反應。
最終，該團隊驚喜地發(fā)現，在這種化學(xué)反應下，該碳分子會(huì )在一邊分解的同時(shí)一邊****綠色光子?！疤挤肿訒?huì )吸收兩個(gè)光子，其中一個(gè)光子將碳分子激發(fā)到半穩定狀態(tài)，第二個(gè)光子則需要將其激發(fā)到一個(gè)能量更豐富、更不穩定的構型?！痹搱F隊描述道。
正是在這種光解機制下，碳分子會(huì )逐漸衰變，并散發(fā)一種獨特的綠色光子。而這也是彗星會(huì )發(fā)綠光的原因所在。
彗星仿若“時(shí)空膠囊”，或助力揭秘生命起源
澳大利亞新南威爾士大學(xué)化學(xué)家蒂姆·施密特（Tim Schmidt）表示，“我們證實(shí)了彗星的綠光來(lái)自二碳分子，當它們暴露在太空中的陽(yáng)光下時(shí)，可以吸收和****可見(jiàn)光。這種處于地球與太陽(yáng)間二碳分子的壽命約為兩天?！?br />
施密特指出，赫茨伯格提出的關(guān)于彗星發(fā)光可能涉及一種氣態(tài)碳分子的猜測是正確的，不過(guò)其預想的光解機制則有些不太準確。但施密特認為，這可以被原諒，因為當時(shí)還處于 20 世紀 30 年代，科技的水平會(huì )極大地制約人們的想法。
值得一提的是，為了精準地還原出該碳分子分解的過(guò)程，該團隊通過(guò)真空室和多種紫外激光器，共同構建了一個(gè)類(lèi)似于近地空間的環(huán)境，這也是一般火箭和衛星所處的飛行區域。
此外，據了解，彗星也是人類(lèi)研究生命起源的重要途徑。天文學(xué)家往往會(huì )將彗星視為“時(shí)空膠囊”，因為它包含著(zhù)一些太陽(yáng)系中最原始的物質(zhì)。
早在 2015 年，有研究團隊首次在彗星上發(fā)現了兩種復雜的有機分子，具體來(lái)說(shuō)更像是酒精和某類(lèi)糖分，它們被認為是構成生命的必要成分，該發(fā)現為解開(kāi)包括地球在內的生命星球起源問(wèn)題提供了新思路。
有趣的是，這顆立下“功勞”的彗星正是前面提到的洛夫喬伊彗星，它也因此成為了名副其實(shí)的“愛(ài)與歡樂(lè )”慧星。
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參考：1、Jasmin Borsovszky，Klaas Nauta ，et al. PNAS（2021）https://doi.org/10.1073/pnas.2113315118
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