破解色彩之谜：为什么彗星会发出绿色的光？

相关研究结果于 2021 年 12 月 28 日发表在PNAS期刊，该论文以《二碳的光解：自然界如何打破不寻常的多重键》（Photodissociation of dicarbon: How nature breaks an unusual multiple bond）为题，第一作者是澳大利亚新南威尔士大学的学者贾斯敏·博索夫斯基（Jasmin Borsovszky）。

彗星发光机制首次得到验证

通常来说，彗星是由彗头和彗尾两大部分组成，其中，慧头又分为彗核和彗发。当彗星在接近太阳时，彗尾会变得越来越长，据天文观测数据，“其最长可达 2 亿多千米”。

长期以来，人们一直观察到彗星的彗发通常是绿色的，而彗尾则不是。

以洛夫乔伊彗星为例，该彗星的轨道非常接近太阳，也一直被认为是最活跃、最明亮的彗星之一。当它掠过地球时，天文学家们发现，其慧头被一层朦胧的绿色光环所包裹。

此前，这种绿光被猜测来自一种叫做二碳（C 2）的活性分子，其在光解作用下会不断挥发颜色。

该猜测来自德国物理、化学家格哈德·赫茨伯格（Gerhard Herzberg），同时，其也是 1971 年诺贝尔化学奖得主。早在 20 世纪 30 年代，他就开始研究宇宙中的分子光谱，并猜测彗星发光的背后可能涉及一种气态碳分子的光解过程。

与大气中的对应物不同，由于其反应性，C 2 仅存在于稀薄或充满活力的环境中，例如火焰、彗星、恒星和漫射星际介质中。

由于无法直接观察，这种光解机制对人类来说还是神秘而未知的。

“我们首次在实验室中观察到 C 2 的光解，并在此过程中以前所未有的精度确定了它的键解离能。”博索夫斯基说道。

为了验证这种光解机制，该团队使用紫外激光将氯原子从氯化碳分子中分离出来，只留下碳分子，然后用一种高强度的光对其进行“冲击”，从而观察接下来的化学反应。

最终，该团队惊喜地发现，在这种化学反应下，该碳分子会在一边分解的同时一边****绿色光子。“碳分子会吸收两个光子，其中一个光子将碳分子激发到半稳定状态，第二个光子则需要将其激发到一个能量更丰富、更不稳定的构型。”该团队描述道。

正是在这种光解机制下，碳分子会逐渐衰变，并散发一种独特的绿色光子。而这也是彗星会发绿光的原因所在。

彗星仿若“时空胶囊”，或助力揭秘生命起源
澳大利亚新南威尔士大学化学家蒂姆·施密特（Tim Schmidt）表示，“我们证实了彗星的绿光来自二碳分子，当它们暴露在太空中的阳光下时，可以吸收和****可见光。这种处于地球与太阳间二碳分子的寿命约为两天。”

施密特指出，赫茨伯格提出的关于彗星发光可能涉及一种气态碳分子的猜测是正确的，不过其预想的光解机制则有些不太准确。但施密特认为，这可以被原谅，因为当时还处于 20 世纪 30 年代，科技的水平会极大地制约人们的想法。

值得一提的是，为了精准地还原出该碳分子分解的过程，该团队通过真空室和多种紫外激光器，共同构建了一个类似于近地空间的环境，这也是一般火箭和卫星所处的飞行区域。
此外，据了解，彗星也是人类研究生命起源的重要途径。天文学家往往会将彗星视为“时空胶囊”，因为它包含着一些太阳系中最原始的物质。

早在 2015 年，有研究团队首次在彗星上发现了两种复杂的有机分子，具体来说更像是酒精和某类糖分，它们被认为是构成生命的必要成分，该发现为解开包括地球在内的生命星球起源问题提供了新思路。

有趣的是，这颗立下“功劳”的彗星正是前面提到的洛夫乔伊彗星，它也因此成为了名副其实的“爱与欢乐”慧星。
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参考：1、Jasmin Borsovszky，Klaas Nauta ，et al.PNAS（2021）https://doi.org/10.1073/pnas.2113315118