互动科普

多变的彗星

彗星向来多变。天空中出现的彗星几乎各个不同，就是同一颗彗星再次出现时，也会展示出与之前不同的面貌。然而，这基本上都是由于它们每次出现在天上的位置不一样，被我们从不同的角度看到，加上彗发和彗尾受到不同的太阳风和光照影响，从而显示出形态各异的样子。

而罗塞塔号这次深入充满尘埃和气体的彗发内部，第一次近距离观察到了67P不断变化的彗核表面，而且发现这种变化非常明显，速度很快。

其实在此之前，被深度撞击号（Deep Impact）飞船近距离观察并且撞击过的坦普尔一号彗星（9P/Tempel 1），在它的一个彗星年（绕日飞行一周，等于5.5个地球年）之后，被星尘号（Stardust）探测器再次造访（Stardust-NExT任务)，人们就发现其表面出现了一些小小的变化（下页左下图）。所以这次罗塞塔造访并伴飞67P的一个重要任务就是寻找彗核上面发生的变化，以帮助我们理解在太阳的照射下，彗核上的各种冰是如何挥发的，如何把其表面的尘埃吹向太空，而彗核本身是如何在这个过程里慢慢变小直到彻底消失，以及这需要多长时间。而这个过程也揭示了彗核本身的内部结构，例如冰和土是如何混合在一起的，它们的比例是怎样的，是大范围的均匀混合还是不均匀的堆积或者分层结构。由于彗星和外太阳系的气态行星及其富含冰的卫星大约同时形成，并且其中绝大多数最终成为这些大天体的内核，彗星的这些内部结构信息构成我们了解大行星的形成过程的重要线索，而且是最主要的线索之一。

那么，这次罗塞塔号到底看到了彗星什么样的变化？在2015年5月下旬到7月上旬的短短的不到两个月时间内，在67P表面一块看起来比较光滑的区域之中，慢慢地长出了三块圆形的疤痕，像水中的涟漪一样逐渐扩大，直到100～200米大小，然后和背景融合在一起，慢慢消失。这些疤痕的厚度约2～5米。

图1.彗星67P表面发生的迅速变化   图/ESA/Rosetta/MPS for OSIRIS Team MPS/UPD/LAM/IAA/SSO/INTA/UPM/DASP/IDA

在此之前，罗塞塔号于2014年8月到达彗星附近开始连续观测，却一直没有发现任何变化。然而就在彗星到达近日点前两个月左右，这个显著的变化突然出现。虽然科学家们早有准备，却仍然觉得有些意想不到。根据这些变化的大小和时间计算，这个疤痕的边缘每小时就可以向外扩张几十厘米，如果站在旁边，凭肉眼就可以看出来。

罗塞塔的相机拍摄到的彩色图片表明，这些区域在变化的时候，明显比其他区域偏蓝，表明大量水冰在这个过程中出现了。结合其他的观测和计算结果，科学家们推测，这样的变化是由于某种未知的机制，使得彗星表层覆盖的大概几到几十厘米厚的尘埃以下的冰层暴露出来。在太阳的照射下，这些冰层开始大量挥发，引起冰层之上覆盖的尘埃坍塌，暴露出更多的从前被覆盖的冰层。而冰层的持续挥发，让坍塌的区域不断长大，直到边缘慢慢碰到含冰量较少，或是较深的区域。

为什么这样的变化会让科学家吃惊？彗星每次经过近日点都会喷出大量气体和尘埃，但是计算表明，这些气体和尘埃只会让彗核表面减小一米或者更少。而之前坦普尔一号彗星上观测到的变化范围也只有几十米，厚度在几米。所以，67P上这样快速的变化是意料之外的。对坦普尔一号彗星的观测是相隔5年多的两次快照，所以虽然我们看到了变化，但是对其过程仍然一无所知。而罗塞塔号的观测结果表明，这些变化可能是在光照、温度条件适合的时候，突然出现并且快速完成的，并非缓慢而匀速的变化。理论计算表明，如果彗核表面这个变化是冰的挥发引起的，那么疤痕增长的速度应该在每小时几厘米左右。所以，罗塞塔观察到的这次彗核表面的快速变化，一定还有别的我们还不知道的物理过程。

科学家们提出了几个可能，比如彗核表面物质可能非常疏松，会加速冰的挥发引起疤痕增大；或者疏松的彗核表面的孔隙里充满很多非常细小的冰，在太阳照射下发生晶体结构的改变，增强了太阳的热量向内部传送的能力，从而增加了内部的冰的挥发，加快了彗核表面的变化。通过变化的彗核，我们可以探测彗核内部结构，从而了解在太阳系形成早期，当整个太阳系还是一团气体和尘埃的时候，这些气体和尘埃是如何凝结在一起，慢慢长大，最终形成大的行星和卫星。在大行星和卫星中，由于非常高的温度和压力，所有这些早期的物质和结构都已经被完全抹去。而在彗星这样的行星原料中，这些早期物质和结构得以保存。彗星表面的这些变化告诉我们，在行星形成的早期阶段，尘埃非常缓慢而疏松地粘结在一起，水和其他可挥发物质可以凝结并保存在尘埃的孔隙中。而在这个过程中形成的疏松的结构，以及尘埃和冰类物质的混合，在彗核慢慢长大形成的过程中，并没有受到破坏，得以很好地保留到了今天。这说明彗星的形成过程缓慢而平和，并没有经历太多剧烈的碰撞和加热过程。同时这也充分说明，彗星的确是研究太阳系早期形成过程的、保存完好的化石。

水的起源

研究彗星还有一个重要的原因，那就是希望知道地球上水和有机物的来源。在地球形成之初的几百万年内，因为内部大量放射性元素，主要是铝26的加热，整个地球温度极高，是一个表面到处是岩浆的星球。之后，随着这些放射性元素的消耗，地球温度不断降低，冷却、凝固成了固体的地壳。然而，在这个强烈加热的过程中，地球在早期形成过程中可能含有的水、有机物等易挥发物质会逃逸到太空。所以地球刚刚形成固体表面的时候，应该是基本不含有水和有机物的。

然而今天的地球表面是一个含有大量水和有机物的世界。水和有机物是生命起源和发展的必要元素，但是它们是从哪里来到地球的？如果认为有机物是生命的起源，那么人类和所有地球上的生命究竟来自哪里？这个来源有没有给地球以外的其他行星也送去过大量的水和有机物，从而发展出适合生命生存的环境，发展出地外生命？

彗星是一个富含有机物和水的世界，因此人们曾经推测，地球上的有机物和水可能来自彗星。但是如何验证或者推翻这一假说呢？一个重要线索是测量地球上的水中的重水的比例（氘氢比，D/H），和其他星球以及彗星上的重水比例来进行比较。

地球上的重水比例可以在实验室中从海水里测得，大约为千分之0.16。而彗星中的重水比例需要用望远镜观测彗星中挥发出来的水汽来进行测量，难度很大，到目前为止只成功测量了大约10颗左右比较亮的彗星。然而，事实总是比我们的推测要复杂，这些从彗星中测量的重水比例数值并不一致。

这些比较亮的彗星，大多数都是非周期彗星（形成以后第一次来到太阳附近）或者长周期彗星（包括著名的哈雷彗星）。这些彗星的重水比例大多比地球的要高大约2～3倍。这个结果似乎说明地球上的水并非来自彗星。

然而，在过去几年中测定的两颗短周期彗星，哈特雷二号彗星（103P/Hartley 2）和45P/H-M-P，却发现它们的重水比例非常接近地球上的数值。这些结果意味着，长周期彗星和短周期彗星可能是两个非常不同的彗星族群，起源于太阳系中重水比例不同的两个区域。而地球上的水可能是由短周期彗星带来的，而非长周期或非周期彗星。

从前这些观测都是从地面或者近地轨道对彗星进行远距离观测，并且对每一个目标只观测了一次。而罗塞塔则进入到彗发深处，用质谱仪直接对彗星中挥发出来的气体进行采样测量，除了测量重水比例以外，还可以同时测量其他几个同位素比值来和地球的测量值相比。并且，罗塞塔跟踪观测这颗彗星长达两年之久。因此它对67P重水比例的测量被寄予厚望，希望可以一举破解地球上水的来源这个谜团。

但是，测量结果却让情况更加复杂。结果显示，67P的重水比例是以往观测过的所有彗星中最高的，是地球上的3倍多，并且在彗发内各处和任何时间的测定结果都比较一致。然而，67P却是一颗短周期彗星，性质应该与哈特雷二彗星和45P/H-M-P彗星类似，拥有较低的重水比例。罗塞塔号的结果不但没有破解地球上水的来源之谜，反而让问题变得更加扑朔迷离。

为了解释这个结果，科学家们设想了几种情况。一种情况是，短周期彗星的起源地其实比我们知道的要复杂得多，可能遍布在太阳系内各个地方，从而它们的重水比例、化学成分和其他物理性质可能千差万别，无法用少量几颗彗星的性质来推测所有短周期彗星的性质。相比之下，长周期彗星或者非周期彗星的起源地可能集中在早期太阳系某个比较确定的区域。所以，地球上的水有可能来源于一部分短周期彗星，但是肯定不会是罗塞塔号造访的67P的兄弟姐妹，也不会是长周期或者非周期彗星。

另一种情况是，地球上的水其实并非来自彗星，因为长周期彗星和非周期彗星也会在地球的漫长历史中撞击地球，而使地球上含有和它们类似比例的重水。然而地球上的重水比例与它们并不相同。那么另一个可能的来源就是小行星。的确，科学家们在实验室中测量过很多富含水分的陨石中的重水比例，发现和地球上的重水比例吻合得比较好。而这部分陨石大多来自小行星。

图3.太阳系中不同天体的重水比例（D/H）。蓝色的是行星和卫星，灰色的是来自小行星带的球粒陨石，紫色的是来源于奥尔特云的彗星，粉色的是木族彗星，用黄色突出显示的是彗星67P/C-G。  图/ESA

想要进一步确认地球上的水和有机物来源于小行星的推测，就需要直接测量小行星上的重水比例。而测量小行星中的水的困难之处在于，小行星表面水含量极少，没有什么挥发，所以无法像研究彗星一样，从地球上通过远程观测来实现。唯一的办法就是发射飞船降落到小行星表面，采集样品进行测量，或者把样品收集起来送回地球，在实验室里进行更加灵敏和精确的测量。这就是美国航天局（NASA）于2016年9月发射的冥王号（OSIRIS-REx）以及日本航天局（JAXA）于2015年12月发射的隼鸟2号（Hayabusa 2）的重要科学使命之一：飞往小行星，收集样品送回地球，在实验室测量其重水比例，帮助我们寻找生命的源头。

多谢罗塞塔，让人类得以一窥遥远非凡的彗星地平线。罗塞塔的任务结束了，但人类对太阳系秘密的揭示才刚刚开始。未来的几十年，科学家还会继续研究分析罗塞塔和菲莱传回的数据，继续拓展人类认知的边界。

（本文发表于《科学世界》2016年第11期）