JWST 與 SPHEREx 對星際彗星 3I/ATLAS 的觀測報告

3I/ATLAS 是繼 ʻOumuamua 和 2I/Borisov 之後第三個被確認的星際天體。這顆於 2025 年 7 月發現的星際彗星具有明顯的彗星活動，包括一團由氣體和塵埃組成的彗髮（coma）。由於它起源於太陽系外，天文學家非常重視這次短暫的機會，希望透過光譜分析瞭解其化學成分，進而推測其母恆星系統的環境。NASA 在 2025 年 8 月以詹姆斯·韋伯太空望遠鏡（JWST）和最近發射的 SPHEREx 分別對 3I/ATLAS 進行了觀測。

SPHEREx對3I/ATLAS的觀測結果

SPHEREx於8月7日至15日對3I/ATLAS 進行了低解析度、廣域視場、多波段的掃描觀測（彗星距太陽約 3.2AU），分析數據發現在紅外線光譜中清楚檢測到水冰吸收特徵和明亮的CO₂氣體發射線。具體而言，SPHEREx的光譜數據解析出一團明亮的CO₂氣體雲環繞著3I/ATLAS，半徑至少34萬公里，但沒有觀測到明顯的水蒸氣以及CO氣體。這意味著在觀測當下彗星釋放的揮發性氣體幾乎全部是CO₂，而H₂O與CO等物質的氣態產出可以忽略不計。在近紅外線光譜的反射光中，SPHEREx則明顯看到了水冰的存在。另一方面，SPHEREx的廣域視角光譜掃描未發現明顯的塵埃彗尾或噴流結構。

▲SPHEREx在不同波段紅外線的光譜數據，分別是H₂O（左）、CO₂（中）、CO（右）。（Source：arxiv）

JWST對3I/ATLAS的觀測結果

JWST於8月6日利用近紅外線光譜儀（NIRSpec）對3I/ATLAS進行了高解析度觀測（彗星距太陽約3.32AU），初步分析顯示，3I/ATLAS的彗髮以CO₂為主，而H₂O等常見揮發物的含量極低，這種異常高的CO₂ / H₂O比例暗示該彗星的本質組成與一般太陽系彗星不同，可能內部儲存了豐富的CO₂冰，而水冰含量相對較少。JWST的高靈敏度和高解析光譜有望檢測出更多微量成分（CO、NH₃ 等），然而截至目前，初步結果尚未發現明顯的CO或其他揮發性氣體譜線。觀測團隊指出，這可能意味著3I/ATLAS的冰組成經歷了高輻射環境或具有獨特的形成歷史。

▲JWST NIRSpec的紅外線（左）、CO₂（中）、H₂O（右）光譜數據。（Source：NASA）

觀測結果對星際天體成分與起源的意義

JWST和SPHEREx對3I/ATLAS的觀測發現，為我們理解星際天體的化學組成和起源提供了寶貴線索。

CO₂極為豐富、水蒸氣貧乏的彗髮組成，暗示3I/ATLAS的形成環境可能與太陽系有所不同。一般來說，太陽系彗星在距離太陽約3AU時開始大量升華水冰，彗髮以水為主要氣體成分，但3I/ATLAS在相似距離卻主要釋出CO₂，而水以固體冰形式存在。3I/ATLAS有可能在原行星盤的遠日區域形成，在那裡CO₂等揮發物可凝結並大量儲存，當該彗星進入太陽系被加熱時，低溫易揮發的CO₂先昇華，水需要更高溫度才能從彗核直接逸出，因此在較遠距離時僅有產生微量水氣。

另一種可能是，3I/ATLAS的特異成分直接反映了其他恆星系統行星盤的化學狀態。

SPHEREx的觀測團隊指出，儘管3I/ATLAS具有獨特的CO₂彗髮，但檢測出的水冰和塵埃組成與我們太陽系的彗星並非截然不同。這意味著宇宙中其他恆星形成的彗星，在基本成分上可能有相似之處，只是比例和分布受各自星盤環境影響。

總而言之，JWST與SPHEREx對3I/ATLAS 的聯合研究指出，這顆星際彗星非典型的成分比例不僅顛覆了我們對彗星的一般認知，也為天文學家提供了絕佳案例去檢驗有關行星系統化學多樣性的理論。

（本文由台北天文館授權轉載；首圖來源：NASA）