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總有些家伙在太陽(yáng)系中“打雪仗”，每隔一段時(shí)間，柯伊伯帶和奧爾特云就會(huì)向內(nèi)太陽(yáng)系投擲一些星系“雪球”——由冰、塵埃和巖石組成的46億年前的太陽(yáng)系殘留物，也就是我們所熟知的彗星。

這些彗星在接近太陽(yáng)時(shí)，許多彗星的頭部會(huì)變成一種光芒四射的綠色，當(dāng)它們接近太陽(yáng)時(shí)會(huì)變得更加明亮。彗星還總是有著一條或者兩條尾巴，這也是彗星的別名“掃把星”的由來(lái)。然而，彗星卻從來(lái)只是將“頭發(fā)”染成綠色，這種顏色在到達(dá)彗尾之前就消失了。

雙原子碳帶來(lái)的“一頭綠發(fā)”

彗星的“染發(fā)偏好”已經(jīng)困擾了科研人員近一個(gè)世紀(jì)。早在上個(gè)世紀(jì)我們就知道了彗星頭部綠色的來(lái)源——雙原子碳，它是由兩個(gè)碳原子粘在一起組成，在化學(xué)生產(chǎn)中是富勒烯的中間產(chǎn)物，性質(zhì)很不穩(wěn)定，在宇宙中幾乎只能在恒星大氣層、彗星和星際物質(zhì)等極高能且低氧的環(huán)境中找到。

要知道，彗星本身是不會(huì)發(fā)光的，但當(dāng)彗星靠近太陽(yáng)并因此開(kāi)始升溫時(shí)，彗星上由冰、塵埃和巖石組成的彗核受熱升華，會(huì)釋放出揮發(fā)性氣體和一部分塵埃，形成一個(gè)不穩(wěn)定的大氣層，即彗發(fā)。彗發(fā)中的塵埃會(huì)反射太陽(yáng)光，一些分子會(huì)在太陽(yáng)光下發(fā)生復(fù)雜的分解反應(yīng)，光電離而生成離子態(tài)物質(zhì)，它們的電子會(huì)因此在激發(fā)態(tài)和基態(tài)間反復(fù)橫跳，不斷輻射出對(duì)應(yīng)頻率的光。而彗發(fā)在太陽(yáng)光和太陽(yáng)風(fēng)的壓力作用下被吹飛，在背向太陽(yáng)的方向上就會(huì)進(jìn)一步被拉長(zhǎng)形成彗尾。

由于離子本身受到太陽(yáng)風(fēng)的作用遠(yuǎn)比塵埃更為強(qiáng)烈，因此彗尾中的離子部分總是嚴(yán)格指向背對(duì)太陽(yáng)的方向，而塵埃部分則會(huì)被拖拽向彗星的軌道方向，當(dāng)兩者方向不一致時(shí)，彗星就會(huì)出現(xiàn)兩條尾巴。

雙原子碳在彗星靠近太陽(yáng)之前并不存在。原本生活在冰冷彗核上的有機(jī)物質(zhì)，在靠近太陽(yáng)的過(guò)程中升華進(jìn)入彗發(fā)，太陽(yáng)光分解了這些有機(jī)分子，產(chǎn)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(jī)物質(zhì)的彗星染上“一頭綠發(fā)”。然而奇怪的是，綠色卻僅局限于彗發(fā)中，并未延伸到彗尾。

模擬實(shí)驗(yàn)找到“染發(fā)偏好”原因

早在20世紀(jì)30年代，物理學(xué)家格哈德·赫茨伯格就推測(cè)這種現(xiàn)象或許是由于太陽(yáng)光進(jìn)一步破壞了雙原子碳結(jié)構(gòu)而形成的。這是因?yàn)殡p原子碳本身是一種極為活躍的分子結(jié)構(gòu)，在“危機(jī)四伏”的太陽(yáng)風(fēng)中恐怕?lián)尾涣艘粫r(shí)半會(huì)兒。

隨著彗星越來(lái)越接近太陽(yáng)，太陽(yáng)光會(huì)先分解彗星中的有機(jī)分子生成雙原子碳，這一過(guò)程被稱為光解離，然而隨即這些雙原子碳分子又繼續(xù)被紫外線分解。太陽(yáng)風(fēng)中的極端紫外輻射確保了在光解離過(guò)程中產(chǎn)生的雙原子碳在遠(yuǎn)離彗核之前便被全部摧毀，這就導(dǎo)致彗發(fā)的綠色部分體積縮小并變得更亮，同時(shí)也確保了綠光不會(huì)蔓延至彗尾。

由于雙原子碳本身極不穩(wěn)定，赫茨伯格的理論很難設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行測(cè)試。不過(guò)，澳大利亞新南威爾士大學(xué)的化學(xué)研究團(tuán)隊(duì)還是找到了在實(shí)驗(yàn)室中測(cè)試這一化學(xué)結(jié)構(gòu)的方法，并且取得了進(jìn)展。“我們已經(jīng)證明了雙原子碳結(jié)構(gòu)被陽(yáng)光分解的機(jī)制。”研究負(fù)責(zé)人蒂莫西·施密特說(shuō)。

為了設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)探索雙原子碳分解之謎，研究團(tuán)隊(duì)需要在地球上的受控環(huán)境中實(shí)現(xiàn)宇宙空間中的化學(xué)過(guò)程?！笆紫?，我們必須制造出這種過(guò)于活躍因而無(wú)法存儲(chǔ)的分子?！笔┟芴卣f(shuō)，“畢竟它可不是能從超市里買(mǎi)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。然后，這些新制造的雙原子碳分子會(huì)被送入長(zhǎng)約2米的真空室中，2個(gè)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(huì)撕裂雙原子碳分子，并且將其中的碳原子送向真空室盡頭的速度探測(cè)器。通過(guò)分析這些原子的速度，研究團(tuán)隊(duì)可以將雙原子碳中化學(xué)鍵的強(qiáng)度測(cè)量到約0.005%的精度，從而和太陽(yáng)風(fēng)中的紫外線強(qiáng)度進(jìn)行比對(duì)。由于紫外線本身不可見(jiàn)，設(shè)計(jì)和安排實(shí)驗(yàn)本身非常困難，施密特的研究團(tuán)隊(duì)花費(fèi)了9個(gè)月的時(shí)間才得以進(jìn)行第一次觀測(cè)，不過(guò)好在他們最終還是揭開(kāi)了這一存在了90余年的謎題。

太陽(yáng)系中大約有3700顆已知的彗星，可能還存在數(shù)十億顆未知的彗星。它們對(duì)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(jīng)將最古老的生命，或是生命誕生的基石——復(fù)雜有機(jī)物，送到了地球上?，F(xiàn)在，彗星缺失的綠色尾巴之謎終于被解開(kāi)，但是關(guān)于彗星更多的謎團(tuán)卻仍舊亟待解決，或許時(shí)間將會(huì)告訴我們更多關(guān)于彗星的真相。

（作者系國(guó)家天文臺(tái)星系宇宙學(xué)團(tuán)組碩士，文章來(lái)源于中國(guó)國(guó)家天文公眾號(hào)）