彗星與地球大氣之間的定量關聯

科學家利用伯爾尼儀器ROSINA經過艱苦的努力終於成功測量了彗星67P/Churyumov-Gerasimenko中的惰性氣體氙的幾種同位素，證實彗星衝擊給地球帶來了物質。正如進一步對硅同位素進行的測量所證實的，起初我們的太陽系極度異質。大量的所謂「重」水也表明彗星冰比我們的太陽系更古老。

氙是一種無色無味的氣體，在整個地球的大氣中的佔比遠小於百萬分之一。作為一種惰性氣體，氙很少與其他元素反應，具有相對穩定的原子狀態。因此也是一種太陽系形成過程中存在狀況的相對準確代表。氙也有助於回答一個關於彗星的老問題：地球上的物質是否來自於彗星衝擊，如果是，佔多少？

一個由伯爾尼大學太空和宜居中心(CSH)Kathrin Altwegg領導的研究團隊證實，彗星67P/Churyumov-Gerasimenko上的氙成分非常類似於40年前首次假設的「本土氙」，在太陽系形成不久就從遠處來到了我們這個星球。這些發表在科學雜誌上的測量顯示，大約五分之一的本土氙源於彗星。這意味著我們首次能夠給出彗星和地球大氣之間的定量關係。

credit: 煎蛋畫師Chon

星球印記

在很多不同的恆星過程中都會形成氙，包括超新星爆發。每種現象都會導致一種典型的氙同位素分布，特定的「指紋」。由於從各種恆星過程得到很多同位素，氙能為構成太陽系的本土材料提供重要的指示。地球和火星大氣、源自小行星的隕石、木星以及太陽風中的氙同位素都曾被測量。地球大氣中氙的構成中重同位素比輕同位素更多，這是因為輕同位素會逃離地球的引力場到太空中。通過矯正這種效應，1970年代研究者們計算出了這種曾經統治地球大氣的所謂本土氙惰性氣體的原始構成。本土氙包含的重同位素少得多，輕同位素的量則與來自小行星和太陽的一樣。由此研究者認為相比那時太陽系中的觀察對象，地球早期大氣層中的本土氙有另外的來源。現在羅塞塔號上的針對彗星67P/Churyumov-Gerasimenko的ROSINA測量數據證實了這一點。

艱難的任務

ROSINA項目領導Kathrin Altwegg說道：「搜尋彗星上的氙對於ROSINA而言可能是最重要和最困難的任務之一。但我們藉此解決了部分40年來的謎題使這一切都是值得的。」氙在彗星極其稀薄的大氣中非常少。羅塞塔號因此必須飛得離彗星非常近並保持幾周——中心距離7到10千米，這樣才能讓ROSINA收集到足夠的信號，清楚測量七種最常見的同位素。這樣做的風險是環繞彗星的稠密塵埃雲可能會傾覆其導航系統。ROSINA設法鑒定了其中氙同位素以及各種其他惰性氣體。對數據的分析顯示在彗星形成過程中凍結的氙不同於太陽系中和今日地球大氣中發現的組成。彗星氙的構成最類似於假想地球早期大氣中的組成。然而，兩者之間仍然存在一定的差異性，這使得研究者認為原始氙部分來源於彗星部分來源於小行星：「這是我們首次建立彗星和地球大氣之間的定量關聯，地球原始大氣中22%的氙源於彗星，剩下的源自小行星。」

與水不矛盾

這些發現與ROSINA的彗星水同位素測量結果並不矛盾，彗星水與本土水有顯著的區別。由於氙只會在大氣中留下痕迹，然而地球的海洋和大氣中包含大量水，因此彗星肯定為地球上發現的氙做出了貢獻，但並沒有過多改變本土水。Altwegg說道：「這一關於氙的發現還支持這樣一個觀點：通過彗星來到地球的有機材料——比如ROSINA還在彗星上發現過的含磷的和氨基乙酸，可能對於地球生命進化具有潛在的關鍵作用。」最後，彗星氙和太陽系中發現的氙之間的差異性表明引起太陽、行星和小天體形成的所謂的原太陽星雲在化學上是異質的。Altwegg說道：「這支持了ROSINA早期的測量，比如預料之外的氧原子或硫原子發現。」

第二個發表確認了發現

在另一個出版中，一個由Martin Rubin領導的(CSH)研究團隊表明，彗星上的硅與太陽系中平均同位素比例不一致。由此證實早期太陽系中的材料源自多種前任恆星。正如氙，這意味著早期太陽系的化學成分是異質的，並不是像先前認為那樣「均勻」混合的。這個第二項研究發表在了天文和天體物理學上。ROSINA在任務早期就已經在環繞彗星的氣體中發現了硅原子。這些硅原子受到太陽風的衝擊從彗星表面濺射而出。CSH的Martin Rubin進行的精確分析表明，與太陽中的硅相比，其中的硅同位素也是反常的。相比在太陽近處和隕石中的發現，彗星中重硅同位素更為少見。這表明彗星是在原太陽星雲中不具有太陽化學成分的區域形成的，因此可能是從另外恆星或者附近的超新星中獲取材料的。

即使彗星水也是來自遠處

第三項近期發表的研究利用氫同位素證實彗星水——所謂的「重」水，是在太陽系形成之前形成的，並凝結成彗星中的先-太陽冰。這些發現已經發表在「英國皇家學會哲學會刊」的專刊上。

Altwegg說道：「我們的三項研究發現完成了羅塞塔號任務的主要目標，即首次發現地球和太陽系形成的定量表徵。」

論文原文：DOI: 10.1126/science.aal3496, DOI: 10.1051/0004-6361/201730584, DOI: 10.1098/rsta.2017.0001

本文譯自 phys，由譯者 CliffBao 基於創作共用協議(BY-NC)發布。

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