破解色彩之謎：爲什麼彗星會發出綠色的光？

晴朗的夜晚，我們經常可以在星空中看到一些拖着長尾巴的發光天體，它們就是彗星。

彗星有頭有尾，從形狀來看，更像是一把倒掛着的掃帚。在中國民間，彗星的名聲並不太好，老人們認爲其寓意不詳，因此又稱其爲“掃帚星”或“災星”。

事實上，彗星僅僅只是圍繞太陽運動的普通天體，亮度和形狀會隨日距變化而變化，並呈現雲霧狀的獨特面貌。目前，人類已經觀測記錄的彗星數量達 1700 餘顆，最著名的便是大家耳熟能詳的哈雷彗星。

不過，一個問題卻一直困惑着天文學家，那就是爲什麼有一些彗星會發出綠色的光？近日，一個來自澳大利亞的研究團隊宣佈，他們首次在實驗室發現了彗星背後的色彩呈現機制[1]。

相關研究結果於 2021 年 12 月 28 日發表在 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）爲題，第一作者是澳大利亞新南威爾士大學的學者賈斯敏·博索夫斯基（Jasmin Borsovszky）。

彗星發光機制首次得到驗證

通常來說，彗星是由彗頭和彗尾兩大部分組成，其中，慧頭又分爲彗核和彗發。當彗星在接近太陽時，彗尾會變得越來越長，據天文觀測數據，“其最長可達 2 億多千米”。

長期以來，人們一直觀察到彗星的彗發通常是綠色的，而彗尾則不是。

以洛夫喬伊彗星爲例，該彗星的軌道非常接近太陽，也一直被認爲是最活躍、最明亮的彗星之一。當它掠過地球時，天文學家們發現，其慧頭被一層朦朧的綠色光環所包裹。

此前，這種綠光被猜測來自一種叫做二碳（C 2）的活性分子，其在光解作用下會不斷揮發顏色。

該猜測來自德國物理、化學家格哈德·赫茨伯格（Gerhard Herzberg），同時，其也是 1971 年諾貝爾化學獎得主。早在 20 世紀 30 年代，他就開始研究宇宙中的分子光譜，並猜測彗星發光的背後可能涉及一種氣態碳分子的光解過程。

與大氣中的對應物不同，由於其反應性，C 2 僅存在於稀薄或充滿活力的環境中，例如火焰、彗星、恆星和漫射星際介質中。

由於無法直接觀察，這種光解機制對人類來說還是神秘而未知的。

“我們首次在實驗室中觀察到 C 2 的光解，並在此過程中以前所未有的精度確定了它的鍵解離能。”博索夫斯基說道。

爲了驗證這種光解機制，該團隊使用紫外激光將氯原子從氯化碳分子中分離出來，只留下碳分子，然後用一種高強度的光對其進行“衝擊”，從而觀察接下來的化學反應。

最終，該團隊驚喜地發現，在這種化學反應下，該碳分子會在一邊分解的同時一邊發射綠色光子。“碳分子會吸收兩個光子，其中一個光子將碳分子激發到半穩定狀態，第二個光子則需要將其激發到一個能量更豐富、更不穩定的構型。”該團隊描述道。

正是在這種光解機制下，碳分子會逐漸衰變，並散發一種獨特的綠色光子。而這也是彗星會發綠光的原因所在。

彗星仿若“時空膠囊”，或助力揭秘生命起源

澳大利亞新南威爾士大學化學家蒂姆·施密特（Tim Schmidt）表示，“我們證實了彗星的綠光來自二碳分子，當它們暴露在太空中的陽光下時，可以吸收和發射可見光。這種處於地球與太陽間二碳分子的壽命約爲兩天。”

施密特指出，赫茨伯格提出的關於彗星發光可能涉及一種氣態碳分子的猜測是正確的，不過其預想的光解機制則有些不太準確。但施密特認爲，這可以被原諒，因爲當時還處於 20 世紀 30 年代，科技的水平會極大地制約人們的想法。

值得一提的是，爲了精準地還原出該碳分子分解的過程，該團隊通過真空室和多種紫外激光器，共同構建了一個類似於近地空間的環境，這也是一般火箭和衛星所處的飛行區域。

此外，據瞭解，彗星也是人類研究生命起源的重要途徑。天文學家往往會將彗星視爲“時空膠囊”，因爲它包含着一些太陽系中最原始的物質。

早在 2015 年，有研究團隊首次在彗星上發現了兩種複雜的有機分子，具體來說更像是酒精和某類糖分，它們被認爲是構成生命的必要成分，該發現爲解開包括地球在內的生命星球起源問題提供了新思路。

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，它也因此成爲了名副其實的“愛與歡樂”慧星。

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參考：

1、Jasmin Borsovszky，Klaas Nauta ，et al. PNAS（2021）

https://doi.org/10.1073/pnas.2113315118