彗星与地球大气之间的定量关联

彗星与地球大气之间的定量关联

科学家利用伯尔尼仪器ROSINA经过艰苦的努力终于成功测量了彗星67P/Churyumov-Gerasimenko中的惰性气体氙的几种同位素，证实彗星冲击给地球带来了物质。正如进一步对硅同位素进行的测量所证实的，起初我们的太阳系极度异质。大量的所谓“重”水也表明彗星冰比我们的太阳系更古老。

氙是一种无色无味的气体，在整个地球的大气中的占比远小于百万分之一。作为一种惰性气体，氙很少与其他元素反应，具有相对稳定的原子状态。因此也是一种太阳系形成过程中存在状况的相对准确代表。氙也有助于回答一个关于彗星的老问题：地球上的物质是否来自于彗星冲击，如果是，占多少？

一个由伯尔尼大学太空和宜居中心(CSH)Kathrin Altwegg领导的研究团队证实，彗星67P/Churyumov-Gerasimenko上的氙成分非常类似于40年前首次假设的“本土氙”，在太阳系形成不久就从远处来到了我们这个星球。这些发表在科学杂志上的测量显示，大约五分之一的本土氙源于彗星。这意味着我们首次能够给出彗星和地球大气之间的定量关系。

星球印记

在很多不同的恒星过程中都会形成氙，包括超新星爆发。每种现象都会导致一种典型的氙同位素分布，特定的“指纹”。由于从各种恒星过程得到很多同位素，氙能为构成太阳系的本土材料提供重要的指示。地球和火星大气、源自小行星的陨石、木星以及太阳风中的氙同位素都曾被测量。地球大气中氙的构成中重同位素比轻同位素更多，这是因为轻同位素会逃离地球的引力场到太空中。通过矫正这种效应，1970年代研究者们计算出了这种曾经统治地球大气的所谓本土氙惰性气体的原始构成。本土氙包含的重同位素少得多，轻同位素的量则与来自小行星和太阳的一样。由此研究者认为相比那时太阳系中的观察对象，地球早期大气层中的本土氙有另外的来源。现在罗塞塔号上的针对彗星67P/Churyumov-Gerasimenko的ROSINA测量数据证实了这一点。

艰难的任务

ROSINA项目领导Kathrin Altwegg说道：“搜寻彗星上的氙对于ROSINA而言可能是最重要和最困难的任务之一。但我们借此解决了部分40年来的谜题使这一切都是值得的。”氙在彗星极其稀薄的大气中非常少。罗塞塔号因此必须飞得离彗星非常近并保持几周——中心距离7到10千米，这样才能让ROSINA收集到足够的信号，清楚测量七种最常见的同位素。这样做的风险是环绕彗星的稠密尘埃云可能会倾覆其导航系统。ROSINA设法鉴定了其中氙同位素以及各种其他惰性气体。对数据的分析显示在彗星形成过程中冻结的氙不同于太阳系中和今日地球大气中发现的组成。彗星氙的构成最类似于假想地球早期大气中的组成。然而，两者之间仍然存在一定的差异性，这使得研究者认为原始氙部分来源于彗星部分来源于小行星：“这是我们首次建立彗星和地球大气之间的定量关联，地球原始大气中22%的氙源于彗星，剩下的源自小行星。”

与水不矛盾

这些发现与ROSINA的彗星水同位素测量结果并不矛盾，彗星水与本土水有显著的区别。由于氙只会在大气中留下痕迹，然而地球的海洋和大气中包含大量水，因此彗星肯定为地球上发现的氙做出了贡献，但并没有过多改变本土水。Altwegg说道：“这一关于氙的发现还支持这样一个观点：通过彗星来到地球的有机材料——比如ROSINA还在彗星上发现过的含磷的和氨基乙酸，可能对于地球生命进化具有潜在的关键作用。”最后，彗星氙和太阳系中发现的氙之间的差异性表明引起太阳、行星和小天体形成的所谓的原太阳星云在化学上是异质的。Altwegg说道：“这支持了ROSINA早期的测量，比如预料之外的分子氧或分子硫发现。”

第二个发表确认了发现

在另一个出版中，一个由Martin Rubin领导的(CSH)研究团队表明，彗星上的硅与太阳系中平均同位素比例不一致。由此证实早期太阳系中的材料源自多种前任恒星。正如氙，这意味着早期太阳系的化学成分是异质的，并不是像先前认为那样“均匀”混合的。这个第二项研究发表在了天文和天体物理学上。ROSINA在任务早期就已经在环绕彗星的气体中发现了硅原子。这些硅原子受到太阳风的冲击从彗星表面溅射而出。CSH的Martin Rubin进行的精确分析表明，与太阳中的硅相比，其中的硅同位素也是反常的。相比在太阳近处和陨石中的发现，彗星中重硅同位素更为少见。这表明彗星是在原太阳星云中不具有太阳化学成分的区域形成的，因此可能是从另外恒星或者附近的超新星中获取材料的。

即使彗星水也是来自远处

第三项近期发表的研究利用氢同位素证实彗星水——所谓的“重”水，是在太阳系形成之前形成的，并凝结成彗星中的先-太阳冰。这些发现已经发表在“英国皇家学会哲学会刊”的专刊上。

Altwegg说道：“我们的三项研究发现完成了罗塞塔号任务的主要目标，即首次发现地球和太阳系形成的定量表征。”

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

本文译自 phys，由译者 CliffBao 基于创作共用协议(BY-NC)发布。

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