困擾科學家90年 彗星頭部發綠光之謎終獲解

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【大紀元2021年12月29日訊】(大紀元記者笛睿編譯報導)常見的彗星為什麼只有頭部是綠色,而彗尾不會呈現綠色?這個問題困擾了科學家90多年,最近一份研究終於找到了答案。

太陽系內已經確定的彗星大約有3700多顆,不過科學家估計實際數字比這大得多。一般來說,彗星的彗核有10公里寬,不過外面包裹的氣體層(也叫彗髮,coma)寬度通常是彗核寬度的千倍以上。

彗星通常是從太陽系內的柯伊伯帶(Kuiper belt)或奧爾特雲(Oort Cloud)區域內飛出的冰球,它們是46億年前、太陽系形成初期孕育誕生了各種天體之後剩下的「邊角料」。

很多彗星從地面上肉眼可見,幸運的人們會看見它們划過夜空。仔細觀測發現,它們的顏色有個類似的變化規律:很多彗星頭部呈現綠色,而且越接近太陽綠色越明顯;可奇怪的是,綠色向尾部逐漸過渡變淡,到了彗尾部分綠色就完全消失了。

上世紀30年代的時候,物理學家格哈德·赫茨伯格(Gerhard Herzberg)提出的理論認為,這是陽光破壞了一種名為雙原子碳(dicarbon)的物質結構導致的。可是由於雙原子碳極不穩定,當時的技術無法驗證這一理論。

現在,澳大利亞新南威爾士大學(UNSW)引領的一份研究終於解開了這個謎團,既解釋了為什麼多數彗星頭部呈現綠色,也解釋了為什麼綠色到了彗尾就消失了。

這份研究通過實驗證實,雙原子碳是呈現綠色的關鍵物質。彗星在接近太陽的過程中,其冰核內的有機物受熱氣化後浮到彗星的表面,也就是彗髮部位。陽光分解這些有機物大分子,產生雙原子碳,所以多數彗星的頭部呈現綠色。

同時這份研究還發現一個名為光解離(photodissociation)的過程:當彗星距離太陽更近的時候,強烈的紫外線開始分解剛產生的雙原子碳,使得綠色物質變少,它們抵達不了彗尾就已經消散了。

研究人員在地面的實驗環境下模擬了彗星內有機物所處的環境,從而證實了這個過程。

主要研究者之一新南威爾士大學化學教授蒂莫西·施密特(Timothy Schmidt)說,他們用一道高能紫外線激光照射有機物大分子全氯乙烯​​(perchloroethylene)。這的確將其分解產生了雙原子碳。

他們把生成的雙原子碳送入一個大約兩米長的真空密閉室,再用兩道紫外線激光照射這些雙原子碳。一道是模擬彗星更接近太陽的時候受到更強的紫外線輻射;另一道通過探測裡面碳原子之間綁定的力度,了解雙原子碳被分解的情況。

合作研究員加斯敏·博爾索夫斯基(Jasmin Borsovszky)說,這個實驗很複雜,他們花了九個月的時間準備,才看到了結果。「三道激光都是不可見光,所以需要很多摸索的過程,真的是這樣。」

施密特說,這是第一次觀測到這個化學反應過程。「上世紀30年代提出的謎團現在終於解開了,這個結果相當令人滿意。」

這份研究10月25日發表於美國國家科學院院刊(PNAS)。◇#

責任編輯:葉紫微

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