科學(xué)家利用伯爾尼儀器ROSINA經(jīng)過艱苦的努力終于成功測(cè)量了彗星67P/Churyumov-Gerasimenko中的惰性氣體氙的幾種同位素，證實(shí)彗星沖擊給地球帶來了物質(zhì)。正如進(jìn)一步對(duì)硅同位素進(jìn)行的測(cè)量所證實(shí)的，起初我們的太陽系極度異質(zhì)。大量的所謂“重”水也表明彗星冰比我們的太陽系更古老。

氙是一種無色無味的氣體，在整個(gè)地球的大氣中的占比遠(yuǎn)小于百萬分之一。作為一種惰性氣體，氙很少與其他元素反應(yīng)，具有相對(duì)穩(wěn)定的原子狀態(tài)。因此也是一種太陽系形成過程中存在狀況的相對(duì)準(zhǔn)確代表。氙也有助于回答一個(gè)關(guān)于彗星的老問題：地球上的物質(zhì)是否來自于彗星沖擊，如果是，占多少？

一個(gè)由伯爾尼大學(xué)太空和宜居中心(CSH)Kathrin Altwegg領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)證實(shí)，彗星67P/Churyumov-Gerasimenko上的氙成分非常類似于40年前首次假設(shè)的“本土氙”，在太陽系形成不久就從遠(yuǎn)處來到了我們這個(gè)星球。這些發(fā)表在科學(xué)雜志上的測(cè)量顯示，大約五分之一的本土氙源于彗星。這意味著我們首次能夠給出彗星和地球大氣之間的定量關(guān)系。

星球印記

在很多不同的恒星過程中都會(huì)形成氙，包括超新星爆發(fā)。每種現(xiàn)象都會(huì)導(dǎo)致一種典型的氙同位素分布，特定的“指紋”。由于從各種恒星過程得到很多同位素，氙能為構(gòu)成太陽系的本土材料提供重要的指示。地球和火星大氣、源自小行星的隕石、木星以及太陽風(fēng)中的氙同位素都曾被測(cè)量。地球大氣中氙的構(gòu)成中重同位素比輕同位素更多，這是因?yàn)檩p同位素會(huì)逃離地球的引力場(chǎng)到太空中。通過矯正這種效應(yīng)，1970年代研究者們計(jì)算出了這種曾經(jīng)統(tǒng)治地球大氣的所謂本土氙惰性氣體的原始構(gòu)成。本土氙包含的重同位素少得多，輕同位素的量則與來自小行星和太陽的一樣。由此研究者認(rèn)為相比那時(shí)太陽系中的觀察對(duì)象，地球早期大氣層中的本土氙有另外的來源?，F(xiàn)在羅塞塔號(hào)上的針對(duì)彗星67P/Churyumov-Gerasimenko的ROSINA測(cè)量數(shù)據(jù)證實(shí)了這一點(diǎn)。

艱難的任務(wù)

ROSINA項(xiàng)目領(lǐng)導(dǎo)Kathrin Altwegg說道：“搜尋彗星上的氙對(duì)于ROSINA而言可能是最重要和最困難的任務(wù)之一。但我們借此解決了部分40年來的謎題使這一切都是值得的。”氙在彗星極其稀薄的大氣中非常少。羅塞塔號(hào)因此必須飛得離彗星非常近并保持幾周——中心距離7到10千米，這樣才能讓ROSINA收集到足夠的信號(hào)，清楚測(cè)量七種最常見的同位素。這樣做的風(fēng)險(xiǎn)是環(huán)繞彗星的稠密塵埃云可能會(huì)傾覆其導(dǎo)航系統(tǒng)。ROSINA設(shè)法鑒定了其中氙同位素以及各種其他惰性氣體。對(duì)數(shù)據(jù)的分析顯示在彗星形成過程中凍結(jié)的氙不同于太陽系中和今日地球大氣中發(fā)現(xiàn)的組成。彗星氙的構(gòu)成最類似于假想地球早期大氣中的組成。然而，兩者之間仍然存在一定的差異性，這使得研究者認(rèn)為原始氙部分來源于彗星部分來源于小行星：“這是我們首次建立彗星和地球大氣之間的定量關(guān)聯(lián)，地球原始大氣中22%的氙源于彗星，剩下的源自小行星。”

與水不矛盾

這些發(fā)現(xiàn)與ROSINA的彗星水同位素測(cè)量結(jié)果并不矛盾，彗星水與本土水有顯著的區(qū)別。由于氙只會(huì)在大氣中留下痕跡，然而地球的海洋和大氣中包含大量水，因此彗星肯定為地球上發(fā)現(xiàn)的氙做出了貢獻(xiàn)，但并沒有過多改變本土水。Altwegg說道：“這一關(guān)于氙的發(fā)現(xiàn)還支持這樣一個(gè)觀點(diǎn)：通過彗星來到地球的有機(jī)材料——比如ROSINA還在彗星上發(fā)現(xiàn)過的含磷的和氨基乙酸，可能對(duì)于地球生命進(jìn)化具有潛在的關(guān)鍵作用?！弊詈?，彗星氙和太陽系中發(fā)現(xiàn)的氙之間的差異性表明引起太陽、行星和小天體形成的所謂的原太陽星云在化學(xué)上是異質(zhì)的。Altwegg說道：“這支持了ROSINA早期的測(cè)量，比如預(yù)料之外的分子氧或分子硫發(fā)現(xiàn)。”

第二個(gè)發(fā)表確認(rèn)了發(fā)現(xiàn)

在另一個(gè)出版中，一個(gè)由Martin Rubin領(lǐng)導(dǎo)的(CSH)研究團(tuán)隊(duì)表明，彗星上的硅與太陽系中平均同位素比例不一致。由此證實(shí)早期太陽系中的材料源自多種前任恒星。正如氙，這意味著早期太陽系的化學(xué)成分是異質(zhì)的，并不是像先前認(rèn)為那樣“均勻”混合的。這個(gè)第二項(xiàng)研究發(fā)表在了天文和天體物理學(xué)上。ROSINA在任務(wù)早期就已經(jīng)在環(huán)繞彗星的氣體中發(fā)現(xiàn)了硅原子。這些硅原子受到太陽風(fēng)的沖擊從彗星表面濺射而出。CSH的Martin Rubin進(jìn)行的精確分析表明，與太陽中的硅相比，其中的硅同位素也是反常的。相比在太陽近處和隕石中的發(fā)現(xiàn)，彗星中重硅同位素更為少見。這表明彗星是在原太陽星云中不具有太陽化學(xué)成分的區(qū)域形成的，因此可能是從另外恒星或者附近的超新星中獲取材料的。

即使彗星水也是來自遠(yuǎn)處

第三項(xiàng)近期發(fā)表的研究利用氫同位素證實(shí)彗星水——所謂的“重”水，是在太陽系形成之前形成的，并凝結(jié)成彗星中的先-太陽冰。這些發(fā)現(xiàn)已經(jīng)發(fā)表在“英國(guó)皇家學(xué)會(huì)哲學(xué)會(huì)刊”的?？?。

Altwegg說道：“我們的三項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)完成了羅塞塔號(hào)任務(wù)的主要目標(biāo)，即首次發(fā)現(xiàn)地球和太陽系形成的定量表征?！?/p>