彗星的「水指紋」或許並非一成不變

作者 | 發布日期 2017 年 03 月 11 日 0:00 | 分類 天文 , 自然科學 follow us in feedly

美國航太總署(NASA)哥達德天文生物中心(Goddard Center for Astrobiology)科學家 Lucas Paganini 等人利用位在夏威夷的凱克望遠鏡(Keck)觀測 C/2014 Q2(Lovejoy)彗星,結果發現彗星中的一種水分子產物會選擇性改變,這是前所未見的現象。



C/2014 Q2 是所謂的歐特雲彗星(Oort cloud comet),亦即它是來自遙遠太陽系邊境的歐特雲中,2014 年 8 月 17 日被彗星獵人洛夫喬伊(Terry Lovejoy)發現,因而命名。它在 2015 年初最接近地球,並在 2015 年 1 月 18 日以 1.29AU 的距離通過其軌道近日點。右方影像是過近日點一段時間的 2015 年 2 月 4 日拍攝的洛夫喬伊彗星,在同一日,這些科學家們趁機利用凱克望遠鏡以紅外波段觀察這顆彗星。其中一項觀測是測量洛夫喬伊彗星噴出的 H2O 和 HDO 兩種水分子的含量;其中前者是一般常見由 2 個氫原子(H)和一個氧原子(O)組成的水分子,後者則是其中一個氫原子被氘(D)取代的水分子,因而又稱為半重水(semiheavy water)。氘是氫的同位素,原子核中比氫原子核多了一個中子。

從這些測量結果,科學家估算所謂的氘氫比(D-to-H ratio),這是很重要的彗星化學特徵,就像指紋一樣,可以提供彗星或小行星從何而來的線索,這是因為彗星是從太陽系早期的太陽周圍物質雲團中形成的。此外,科學家們亦可利用氘氫比數值來了解地球上的水有多少是來自彗星和小行星。

科學家將他們的凱克觀測結果與其他團隊在彗星至近日點之前用地面望遠鏡和太空望遠鏡所做的觀測結果加以比較,結果意外發現估算出的氘氫比有差異,彗星過了近日點之後的 HDO 釋出量比近日點前還高 2~3 倍,而 H2O 則幾乎持平不變;換言之,過近日點後的氘氫比是之前提報的 2~3 倍。這樣的改變讓科學家很訝異,但也讓科學家意識到必須在彗星軌道的不同位置反覆測量氘氫比,才能掌握全部真相。

水分子產物的改變應是發生在彗星接近太陽的時候,但科學家先前認為這些不同型態的水分子釋放量的增減應該幾乎是同步的,所以氘氫比會維持一致。但 Paganini 等人的最新研究卻顯示並非如此。如果氘氫比會隨時間改變,將讓科學家誤認為地球上的水只有一小部分來自彗星,而其餘絕大部分是來自小行星。特別是,如果這些結論只是根據單一次彗星水分子的氘氫比值測量結果而來,那麼就真的誤會大了。

以前要測量彗星中的 HDO 並不容易,乃因 HDO 是比較貧乏的水分子型態。例如,洛夫喬伊彗星所釋放的 H2O 比 HDO 高了 1,500 倍之多。洛夫喬伊彗星接近地球的時候,其亮度讓它足以清晰的測量 HDO,再加上一些地面望遠鏡上安裝的改良偵測器,也允許科學家們在未來彗星比較暗時進行類似的測量。

洛夫喬伊彗星氘氫比的明顯改變,可能肇因於它曾經歷過程度偏高的強力過程,例如近太陽處的輻射之類,這可能改變了彗星表面的水分子特徵。在這種狀況下,出現不同的氘氫比,可能顯示出這是顆已經進入生命期不同階段的「老彗星」。或者,先前的觀測結果也許忽略了彗星稀薄大氣中的化學變化。

團隊之一的 Michael Mumma 表示:彗星能變得相當活躍,甚至有時非常劇烈,特別是當它們來到太陽系內側,比較靠近太陽的時候。這次的紅外測量技術提供了同時窺視測量彗星噴出物中的 H2O 和 HDO 的好機會,對於釐清彗星來源爭議尤其重要。

(本文由 台北天文館 授權轉載) 

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