實驗證實彗星確有“染髮偏好”

總有些傢伙在太陽系中“打雪仗”，每隔一段時間，柯伊伯帶和奧爾特雲就會向內太陽系投擲一些星系“雪球”——由冰、塵埃和岩石組成的46億年前的太陽系殘留物，也就是我們所熟知的彗星。

這些彗星在接近太陽時，許多彗星的頭部會變成一種光芒四射的綠色，當它們接近太陽時會變得更加明亮。彗星還總是有着一條或者兩條尾巴，這也是彗星的別名“掃把星”的由來。然而，彗星卻從來只是將“頭髮”染成綠色，這種顏色在到達彗尾之前就消失了。

雙原子碳帶來的“一頭綠髮”

彗星的“染髮偏好”已經困擾了科研人員近一個世紀。早在上個世紀我們就知道了彗星頭部綠色的來源——雙原子碳，它是由兩個碳原子粘在一起組成，在化學生產中是富勒烯的中間產物，性質很不穩定，在宇宙中幾乎只能在恆星大氣層、彗星和星際物質等極高能且低氧的環境中找到。

要知道，彗星本身是不會發光的，但當彗星靠近太陽並因此開始升温時，彗星上由冰、塵埃和岩石組成的彗核受熱昇華，會釋放出揮發性氣體和一部分塵埃，形成一個不穩定的大氣層，即彗發。彗發中的塵埃會反射太陽光，一些分子會在太陽光下發生複雜的分解反應，光電離而生成離子態物質，它們的電子會因此在激發態和基態間反覆橫跳，不斷輻射出對應頻率的光。而彗發在太陽光和太陽風的壓力作用下被吹飛，在背向太陽的方向上就會進一步被拉長形成彗尾。

由於離子本身受到太陽風的作用遠比塵埃更為強烈，因此彗尾中的離子部分總是嚴格指向背對太陽的方向，而塵埃部分則會被拖拽向彗星的軌道方向，當兩者方向不一致時，彗星就會出現兩條尾巴。

雙原子碳在彗星靠近太陽之前並不存在。原本生活在冰冷彗核上的有機物質，在靠近太陽的過程中昇華進入彗發，太陽光分解了這些有機分子，產生了雙原子碳，而雙原子碳中的電子受激輻射出綠光，為帶有這些有機物質的彗星染上“一頭綠髮”。然而奇怪的是，綠色卻僅侷限於彗發中，並未延伸到彗尾。

模擬實驗找到“染髮偏好”原因

早在20世紀30年代，物理學家格哈德·赫茨伯格就推測這種現象或許是由於太陽光進一步破壞了雙原子碳結構而形成的。這是因為雙原子碳本身是一種極為活躍的分子結構，在“危機四伏”的太陽風中恐怕撐不了一時半會兒。

隨着彗星越來越接近太陽，太陽光會先分解彗星中的有機分子生成雙原子碳，這一過程被稱為光解離，然而隨即這些雙原子碳分子又繼續被紫外線分解。太陽風中的極端紫外輻射確保了在光解離過程中產生的雙原子碳在遠離彗核之前便被全部摧毀，這就導致彗發的綠色部分體積縮小並變得更亮，同時也確保了綠光不會蔓延至彗尾。

由於雙原子碳本身極不穩定，赫茨伯格的理論很難設計實驗進行測試。不過，澳大利亞新南威爾士大學的化學研究團隊還是找到了在實驗室中測試這一化學結構的方法，並且取得了進展。“我們已經證明了雙原子碳結構被陽光分解的機制。”研究負責人蒂莫西·施密特説。

為了設計實驗探索雙原子碳分解之謎，研究團隊需要在地球上的受控環境中實現宇宙空間中的化學過程。“首先，我們必須製造出這種過於活躍因而無法存儲的分子。”施密特説，“畢竟它可不是能從超市裏買到的商品。”

研究人員選擇從另一種更大的分子——全氯乙烯中獲取雙原子碳，利用高功率紫外激光轟擊其中的氯原子，便可以將雙原子碳剝離。然後，這些新制造的雙原子碳分子會被送入長約2米的真空室中，2個紫外激光器將指向在真空室中的雙原子碳，以便將其破壞。紫外線會撕裂雙原子碳分子，並且將其中的碳原子送向真空室盡頭的速度探測器。通過分析這些原子的速度，研究團隊可以將雙原子碳中化學鍵的強度測量到約0.005%的精度，從而和太陽風中的紫外線強度進行比對。由於紫外線本身不可見，設計和安排實驗本身非常困難，施密特的研究團隊花費了9個月的時間才得以進行第一次觀測，不過好在他們最終還是揭開了這一存在了90餘年的謎題。

太陽系中大約有3700顆已知的彗星，可能還存在數十億顆未知的彗星。它們對地球的影響可能比很多人想象中的還要重要。畢竟生命起源的理論之一，便是彗星或許曾經將最古老的生命，或是生命誕生的基石——複雜有機物，送到了地球上。現在，彗星缺失的綠色尾巴之謎終於被解開，但是關於彗星更多的謎團卻仍舊亟待解決，或許時間將會告訴我們更多關於彗星的真相。

（作者系國家天文台星系宇宙學團組碩士，文章來源於中國國家天文公眾號）