彗星是由塵埃、冰、氣體和岩石組成的小型天體，其半徑通常只有幾千米。當它們靠近太陽時，溫度的升高會導致彗星上的冰和其他揮發性物質昇華為氣體。這一過程會在彗核的周圍形成模糊的包絡和獨特的彗尾。
目前，通過一些天文觀測，天文學家已經確定了大量彗星的化學成分。一直以來，他們都知道在彗星的內部結構中有重金屬存在。但是，由於那些距離太陽遙遠的彗星的表面溫度大多很低，而固態金屬通常無法在低溫下昇華，因此天文學家並沒有在這些寒冷彗星的大氣層中探測到金屬。
現在，兩項最新發表在《自然》雜誌的研究帶來了令人驚訝的新發現。
第一項研究是由三位來自比利時的天文學家完成的。他們通過分析由光學望遠鏡——甚大望遠鏡（VLT）收集的資料，對在過去二十年中探測到的所有彗星進行了分析。
在光學波長上，彗星發出的光譜上具有不同分子或者分子碎片（如羥基、氰化物等）的發射特徵。一直以來，還沒有在彗星光譜中發現鐵、鎳，以及其他金屬元素的蹤影。在新研究中，他們先是利用原子模型來預測當被太陽光照射時，鐵和鎳會發出有著怎樣的波長和強度的光。然後，他們在大量太陽系的彗星的光譜中，確定了數十條鐵原子和鎳原子的發射線。
這些彗星大約形成於46億年前，那時我們的太陽系還非常年輕。據研究人員估計，最遙遠的彗星的溫度只有大約150K。一直以來，彗星上的重金屬都被認為與高溫環境有關，這是首個在寒冷彗星的大氣層中發現重金屬的例子。
在一顆彗星的大氣中，檢測到重金屬鐵（Fe）和鎳（Ni）。| 圖片來源：ESO/L. Calçada, SPECULOOS Team/E. Jehin, Manfroid et al.
通過分析鐵原子和鎳原子發出的光的空間分佈，他們計算出在彗星的大氣中，每100千克的水，只有約1克的鐵，以及大致相同數量的鎳。如此微小的含量是這些金屬元素難以被識別的一個原因。 而鐵和鎳在彗星大氣中的含量大致相等一事，也讓研究人員感到驚訝，因為這與通常出現在太陽系中的其他天體上的情況不同。例如在太陽和隕石中，鐵的含量通常是鎳的10倍。
這究竟是為什麼？研究人員猜測，這些鐵和鎳可能來自靠近彗核表面的某種特殊材料，可以在很低的溫度下昇華，並以大致相同的比例釋放鐵和鎳。雖然研究人員還不能確定究竟是種什麼樣的材料，但可以確定的是，這樣的新發現能為天文學家理解早期太陽系提供新思路。
第二項研究是由兩位來自波蘭的天文學家進行的。2020年1月，他們使用VLT，在冰冷的星際彗星2I/Borisov周圍，也探測到了由鎳蒸汽發出的光。
2I/Borisov是一顆來自太陽系之外的彗星。2019年8月31日，這顆彗星在飛掠太陽系時被VLT捕捉到。有趣的是，天文學家發現這顆星際彗星的行為和自由基的組成，意外地與太陽系中的普通彗星很相似。
星際彗星2I/Borisov的表面的可能樣貌。| 動圖來源：ESO/M. Kormesser
基於這樣的異常現象，有科學家提出2I/Borisov可能是一個更大的、類冥王星天體的碎片；又或者是在一顆比太陽更小、更冷的恆星周圍形成的天體。
研究人員分析了2I/Borisov的低溫大氣中的氣態鎳含量，發現這顆彗星大氣中的鎳丰度與第一項研究中所述的太陽系中的彗星相似。這樣的發現令研究人員大感震驚，因為當2I/Borisov被觀測到時，它與太陽的距離約為3億千米，是地日距離的兩倍。天文學家不敢相信真的會有鎳原子存在於離太陽那麼遠的彗星上。不過在進行了多個測試和檢查之後，他們說服了自己。
在星際彗星2I/Borisov的模糊大氣中探測到鎳（Ni）。| 圖片來源：ESO/L. Calçada/O. Hainaut, P. Guzik and M. Drahus
鑑於天文學家並不知道2I/Borisov的起源，這樣的發現的確令人驚訝。在此之前，重金屬原子氣體只在高溫環境中被觀察到過，比如超級系外行星的大氣層中或飛掠太陽時因距離太陽太近的彗星中。如果天文學家能夠找到普通彗星和這個星際彗星中鐵和鎳的起源，或許他們將能揭示不同行星系統之間的有機化學故事。
這些彗星攜帶著關於它們起源的資訊。新的發現讓天文學家突然意識到，在遠離太陽的低溫彗星的大氣中，存在重金屬鐵和鎳；而氣態鎳可能存在於銀河系的各個角落的彗星大氣中。結合這兩項研究，我們發現來自太陽系之外的2I/Borisov彗星與太陽系內的彗星擁有比我們以為的還要多的共同點。這意味著，在其他行星系統中，也可能存在著與我們太陽系的彗星類似的東西。
#創作團隊：
文：不二北斗
#參考來源：
https://www.eso.org/public/news/eso2108/
https://www.nature.com/articles/d41586-021-01265-8
https://www.nature.com/articles/s41586-021-03435-0
https://www.nature.com/articles/s41586-021-03485-4
#圖片來源：
封面圖：ESO/SPECULOOS Team/E. Jehin