彗星中的氘揭示起源的隐藏故事
日期： 2026年6月29日
精选图片： [星际彗星3I/ATLAS穿越太阳系的艺术家想象图；图片来源：NASA/ESA/STScI]
2025年12月，当星际彗星3I/ATLAS掠过地球时，天文学家将詹姆斯·韦布空间望远镜对准其发光的彗发。他们的发现改写了彗星如何保存其诞生地化学特征的故事，以及这对寻找地球以外生命的意义。
《今日宇宙》最近探讨了氘（一种更重的氢同位素）如何作为彗星起源的指纹。由NASA戈达德航天中心的马丁·科迪纳领导的团队在《自然》杂志上发表的3I/ATLAS研究结果显示，其氘富集程度比太阳系中任何彗星高出30倍以上，这一水平告诉天文学家，这颗彗星几乎肯定是在与我们截然不同的环境中形成的。
氘告诉我们什么
氘，有时被称为重氢，与普通氢相比多了一个中子。它在宇宙大爆炸期间大量产生，并在恒星内部通过核聚变不断被摧毁。这意味着氘只能在寒冷环境中存活，使其成为衡量彗星形成条件的灵敏温度计。
氘与普通氢的比例，即D/H比，在太阳系中差异很大。地球海洋的D/H比为1.56×10⁻⁴。奥尔特云的彗星，如哈雷彗星和海尔-波普彗星，其D/H比大约是这个数字的两倍。木星族彗星显示出更多变化：由ESA罗塞塔任务研究的67P彗星，其D/H比约为地球海洋的三倍，而由赫歇尔空间天文台观测的103P/哈特利2彗星，其D/H比与地球海水无法区分。
这些差异反映了每颗彗星在原始太阳星云（孕育太阳和行星的气体与尘埃云）中形成的地点和时间。较高的D/H比通常意味着在距离主星更远，更寒冷的条件下形成，氘可以在冰中浓缩而不会被混合稀释。
3I/ATLAS的异常
当JWST的NIRSpec仪器在2025年12月22日至23日捕捉到星际彗星3I/ATLAS的光谱时，它测量到水中的D/H比为0.95%，即约10⁻²。这比太阳系中氘最丰富的彗星还要高出30倍。甲烷的D/H比更加惊人：为3.31%，是67P彗星的14倍。
碳同位素比例讲述了一个互补的故事。JWST发现相对于碳-12，碳-13的含量极少，表明这颗彗星由几乎没有经历过恒星加工的物质形成。较年轻的恒星系统，包括我们46亿岁的太阳，通过连续数代的恒星形成和超新星爆炸而富含碳-13。3I/ATLAS的低碳-13丰度指向其起源在恒星形成刚刚开始的银河系区域，可能是在被称为”宇宙正午”的时代，当时宇宙的恒星形成率达到了顶峰。
科迪纳用直白的语言描述了这一机遇，”这是一个独特的机会，可以研究来自遥远星系的一个古老天体，它可能比我们的太阳和太阳系还要古老，”他说，”一方面，我们可以直接洞察那个遥远的时间和地点；另一方面，我们也可以了解到我们自己的太阳系有多么不寻常。”
星际空间中的前生命化学
欧洲南方天文台的甚大望远镜通过探测3I/ATLAS彗发中的氰化物（一种在前生命化学中起作用的碳氮化合物），补充了JWST的测量结果。结合JWST探测到的丰富的碳、氢、氧、氮和含硫分子，这些观测证明复杂的有机化学在其他行星系统中存在，并且可以通过星际空间进行运输。
《自然》论文的合著者、NASA戈达德航天中心的斯蒂芬妮·米拉姆强调了更广泛的影响。”对我们科学家来说，发现这些稀有同位素令人着迷，但这里更大的图景是研究银河系其他地方前生命化学的可能性，”她说，”到目前为止，在浩瀚宇宙中，我们只知道一个地方存在导致生命的化学成分，我们的太阳系，我们的地球。对这些星际天体的分析是了解宇宙中生命进化条件普遍性或稀有性的重要一步。”
太阳系的背景
3I/ATLAS是继2017年的1I/奥陌陌和2019年的2I/鲍里索夫之后第三个确认访问太阳系的星际天体。与看起来像岩石且没有产生可探测气体的奥陌陌不同，3I/ATLAS是一颗活跃的彗星，富含挥发性物质，可以进行详细的同位素分析。它是第一个能够进行如此精确氘测量的星际天体。
3I/ATLAS极端的D/H比与太阳系内部观察到的多样性形成鲜明对比，太阳系中一些彗星的D/H比与地球相符，而另一些则高出三倍。这种多样性一直是理解地球水源起源的核心谜题。当前的共识认为，小行星，特别是碳质球粒陨石，为早期地球输送了大部分水，彗星的贡献较小。3I/ATLAS的结果表明，在其他行星系统中，水和有机化合物的输送可能遵循截然不同的化学途径。
对于天文学家来说，信息很明确：太阳系并非通用模板。每一个经过太阳系的星际天体都携带来自另一个世界的化学信息，而JWST现在以前所未有的清晰度解读着这些信息。
婷 翻译