破解色彩之謎：為什么彗星會(huì)發(fā)出綠色的光？

相關(guān)研究結(jié)果于 2021 年 12 月 28 日發(fā)表在 PNAS 期刊，該論文以《二碳的光解：自然界如何打破不尋常的多重鍵》（Photodissociation of dicarbon: How nature breaks an unusual multiple bond）為題，第一作者是澳大利亞新南威爾士大學(xué)的學(xué)者賈斯敏·博索夫斯基（Jasmin Borsovszky）。

彗星發(fā)光機(jī)制首次得到驗(yàn)證

通常來(lái)說(shuō)，彗星是由彗頭和彗尾兩大部分組成，其中，慧頭又分為彗核和彗發(fā)。當(dāng)彗星在接近太陽(yáng)時(shí)，彗尾會(huì)變得越來(lái)越長(zhǎng)，據(jù)天文觀測(cè)數(shù)據(jù)，“其最長(zhǎng)可達(dá) 2 億多千米”。

長(zhǎng)期以來(lái)，人們一直觀察到彗星的彗發(fā)通常是綠色的，而彗尾則不是。

以洛夫喬伊彗星為例，該彗星的軌道非常接近太陽(yáng)，也一直被認(rèn)為是最活躍、最明亮的彗星之一。當(dāng)它掠過(guò)地球時(shí)，天文學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，其慧頭被一層朦朧的綠色光環(huán)所包裹。

此前，這種綠光被猜測(cè)來(lái)自一種叫做二碳（C 2）的活性分子，其在光解作用下會(huì)不斷揮發(fā)顏色。

該猜測(cè)來(lái)自德國(guó)物理、化學(xué)家格哈德·赫茨伯格（Gerhard Herzberg），同時(shí)，其也是 1971 年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)得主。早在 20 世紀(jì) 30 年代，他就開(kāi)始研究宇宙中的分子光譜，并猜測(cè)彗星發(fā)光的背后可能涉及一種氣態(tài)碳分子的光解過(guò)程。

與大氣中的對(duì)應(yīng)物不同，由于其反應(yīng)性，C 2 僅存在于稀薄或充滿(mǎn)活力的環(huán)境中，例如火焰、彗星、恒星和漫射星際介質(zhì)中。

由于無(wú)法直接觀察，這種光解機(jī)制對(duì)人類(lèi)來(lái)說(shuō)還是神秘而未知的。

“我們首次在實(shí)驗(yàn)室中觀察到 C 2 的光解，并在此過(guò)程中以前所未有的精度確定了它的鍵解離能?！辈┧鞣蛩够f(shuō)道。

為了驗(yàn)證這種光解機(jī)制，該團(tuán)隊(duì)使用紫外激光將氯原子從氯化碳分子中分離出來(lái)，只留下碳分子，然后用一種高強(qiáng)度的光對(duì)其進(jìn)行“沖擊”，從而觀察接下來(lái)的化學(xué)反應(yīng)。

最終，該團(tuán)隊(duì)驚喜地發(fā)現(xiàn)，在這種化學(xué)反應(yīng)下，該碳分子會(huì)在一邊分解的同時(shí)一邊****綠色光子?！疤挤肿訒?huì)吸收兩個(gè)光子，其中一個(gè)光子將碳分子激發(fā)到半穩(wěn)定狀態(tài)，第二個(gè)光子則需要將其激發(fā)到一個(gè)能量更豐富、更不穩(wěn)定的構(gòu)型。”該團(tuán)隊(duì)描述道。

正是在這種光解機(jī)制下，碳分子會(huì)逐漸衰變，并散發(fā)一種獨(dú)特的綠色光子。而這也是彗星會(huì)發(fā)綠光的原因所在。

彗星仿若“時(shí)空膠囊”，或助力揭秘生命起源
澳大利亞新南威爾士大學(xué)化學(xué)家蒂姆·施密特（Tim Schmidt）表示，“我們證實(shí)了彗星的綠光來(lái)自二碳分子，當(dāng)它們暴露在太空中的陽(yáng)光下時(shí)，可以吸收和****可見(jiàn)光。這種處于地球與太陽(yáng)間二碳分子的壽命約為兩天。”

施密特指出，赫茨伯格提出的關(guān)于彗星發(fā)光可能涉及一種氣態(tài)碳分子的猜測(cè)是正確的，不過(guò)其預(yù)想的光解機(jī)制則有些不太準(zhǔn)確。但施密特認(rèn)為，這可以被原諒，因?yàn)楫?dāng)時(shí)還處于 20 世紀(jì) 30 年代，科技的水平會(huì)極大地制約人們的想法。

值得一提的是，為了精準(zhǔn)地還原出該碳分子分解的過(guò)程，該團(tuán)隊(duì)通過(guò)真空室和多種紫外激光器，共同構(gòu)建了一個(gè)類(lèi)似于近地空間的環(huán)境，這也是一般火箭和衛(wèi)星所處的飛行區(qū)域。
此外，據(jù)了解，彗星也是人類(lèi)研究生命起源的重要途徑。天文學(xué)家往往會(huì)將彗星視為“時(shí)空膠囊”，因?yàn)樗恍┨?yáng)系中最原始的物質(zhì)。

早在 2015 年，有研究團(tuán)隊(duì)首次在彗星上發(fā)現(xiàn)了兩種復(fù)雜的有機(jī)分子，具體來(lái)說(shuō)更像是酒精和某類(lèi)糖分，它們被認(rèn)為是構(gòu)成生命的必要成分，該發(fā)現(xiàn)為解開(kāi)包括地球在內(nèi)的生命星球起源問(wèn)題提供了新思路。

有趣的是，這顆立下“功勞”的彗星正是前面提到的洛夫喬伊彗星，它也因此成為了名副其實(shí)的“愛(ài)與歡樂(lè)”慧星。
-End-

參考：1、Jasmin Borsovszky，Klaas Nauta ，et al. PNAS（2021）https://doi.org/10.1073/pnas.2113315118