著名彗星的氧气之谜，有了唯一的解释

2015年，欧洲空间局的罗塞塔号探测器在丘留莫夫-格拉西缅科（67P）彗星上获得了一项惊人的发现。这颗彗星迸发出了格外丰富的分子氧，这种现象前所未见。

科学家必须为此找到一种合理的解释，而这意味着需要重新思考我们目前已知的关于早期太阳系化学的一切知识。

罗塞塔号与67P彗星的艺术家畅想图。| 图片来源：ESA/Rosetta/NAVCAM

但是，一项新的分析却表明，罗塞塔号的发现可能并没有科学家最初想象的那般奇怪。相反，新研究认为，这颗彗星看上去比实际拥有更多氧。这是因为，彗星上应该存在两个内部储存库，那就像给我们制造了一种“幻觉”，彗星形成时实际上并没有那么高的氧丰度，但它累积下了一些被困在彗星上层的氧，然后一下子都被释放出来了。研究已于近日发表在《自然·天文学》上。

罕见的分子氧

分子氧指的是以双键连接的两个氧原子。虽然分子氧在地球上很常见，但它们在整个宇宙中其实格外罕见。这类分子会很快与其他原子和分子结合，特别是普遍存在的氢和碳原子，因此分子氧仅仅会在少数分子云中现身，而且数量稀少。这让许多研究人员相信，形成太阳系的原太阳星云中的氧，可能都差不多被“挖”走了。

然而，当罗塞塔号发现分子氧从67P彗星中涌出时，一切都被颠覆了。在此之前，没有人在彗星上发现过分子氧。在彗星明亮的彗发（也就是彗核四周向外膨胀的彗星大气层）中，分子氧的丰度仅次于水、二氧化碳和一氧化碳。这种现象显然需要一些解释。

分子氧似乎与水一同从彗星上脱落，这让许多天文学家怀疑，这些氧要么是原始的，要么就是在彗星形成后来自彗星内部的水。如果它们是原始的，就意味着它们在太阳系诞生之时就和水绑定在了一起，并在彗星后来形成时聚集在之上。

但无论哪种情况，这些设想都存在比较大的概念问题，比如，为什么在彗星形成时会存在如此高水平的氧，或者这么大量的氧是如何在彗星中产生的。

氧和水的复杂关系

在新的研究中，研究人员决定更细致地了解分子氧和水之间的关系。

67P彗星呈哑铃状，并在逐步旋转，每一端（或者叫半球）都在不同的位置时面向太阳，换言之，和地球类似，这颗彗星也有季节性，在6.5年的周期中经历着不同季节。在很短的时间里，挥发性物质有可能随着季节的变化而解冻和重新冻结，从而开启和关闭。

67P/丘留莫夫-格拉西缅科彗星，彗星呈哑铃状。| 图片来源：ESA/Rosetta/NAVCAM

利用这些季节的优势，研究团队在彗星的南半球刚刚进入夏季之前，以及在其夏季刚刚结束时再次检查了短期和长期的分子数据。他们发现，那种分子氧-水的联系似乎并非一直存在的。

随着南半球转离，并离太阳足够远时，分子氧和水之间的联系就消失了。脱离彗星的水量急剧下降，相反，分子氧似乎与二氧化碳和一氧化碳存在着紧密联系，彗星仍然在排出这些气体。

根据先前提出的解释，这是不可能的。如果分子氧是原始的，并在其形成过程中和水联系在了一起，就不应该会出现这种季节性的变化。

两个储藏库

团队在分析后提出了新的想法。他们认为，彗星的分子氧并非来自水，而是来自两个储藏库，其中一个由氧、一氧化碳和二氧化碳组成，位于彗星岩核深处，另一个更接近表面的浅袋中，分子氧在那里与水冰分子化学结合。

分子氧和其他挥发性分子释放的示意图。两个插图展示了一个深层的二氧化碳、一氧化碳和分子氧的储藏库（乳白色的圆点），它不断地从67P彗星上释放出其内容分子。蓝点代表分子氧，它们在从深层储藏库向表面移动时被困在了水冰中（蓝色的H2O-O2），形成一个较浅的储藏库，只有在表面变暖和彗星足够接近太阳时才会释放其内容分子。彗星前方的线段（右下方和左上方）是新研究分析的时段。在后近日二分点之后的线段中，从蓝色到奶油色的变化代表团队发现排放的分子氧不再与水相关，而是与一氧化碳和二氧化碳相关。| 图片来源：Johns Hopkins APL/Jon Emmerich

具体来说，一个深层的分子氧、一氧化碳和二氧化碳的冰库不断释放出气体，因为它们都会在非常低的温度下汽化。

然而，当分子氧从彗星的内部向表面穿越时，一些化学成分会插入水冰，也就是彗星核的主要成分，形成第二个较浅的分子氧储藏库。但是，水冰蒸发的温度要比分子氧高得多，所以在太阳充分加热表面并蒸发水冰之前，分子氧就被卡住了。

结果便是，分子氧可以在这个浅层储藏库中长期积累，直到彗星表面被加热到足以使水冰汽化，并释放出比彗星中实际存在的氧丰富得多的羽流。换句话说，测得的氧丰度并不一定反映出它的实际丰度。

因此，季节性的变化也随之出现。当太阳加热表面时，分子氧与水明显相关，而当表面远离太阳并且彗星足够远时，它们则与二氧化碳和一氧化碳更强地相关。这种摇摆不定正是罗塞塔观察到的情况。

唯一的解释

团队认为，这不仅是一种解释，而是唯一一种解释，因为没有其他的可能性，尤其考虑到罗塞塔号观测到的那些趋势。

考虑到分子氧的水平仍然高于在大多数分子云中观测到的量，探索显然还没有结束。接下来，团队还希望通过研究彗星的次要分子，比如甲烷和乙烷，以及它们与分子氧和其他主要分子的相关性，进行更深入的探索。这可能有机会帮助研究人员更好地了解彗星上冰的类型。

#创作团队：

编译：Gaviota

排版：雯雯

#参考来源：

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/

#图片来源：

封面图：ESA/Rosetta/NAVCAM

首图：ESA/Rosetta/NAVCAM