本文与 The Conversation合作发表。
科学家首次在彗星的彗发（即彗星靠近太阳时包围其核心的气体云）中探测到分子氧（O2）。这一发现挑战了人们对太阳系形成过程的认识，由欧洲航天局的 Rosetta spacecraft 探测器完成，该探测器正在环绕彗星 67P/Churyumov-Gerasimenko 运行。
该研究结果， 发表于《自然》，令研究人员大感意外。
追溯氧气的来源
氧是银河系和太阳系中最丰富的元素之一，我们每次呼吸时吸入的游离分子氧构成了 我们大气的20% ，但我们往往对此习以为常。那么，为何在彗星中发现氧如此重要？氧很容易与氢（H）、碳（C）等其他丰富元素结合，形成水（H2O）或二氧化碳（CO2）。
要将这些分子重新分解为其组成成分以产生游离氧，需要消耗一定能量。我们大气中高含量的游离氧之所以能够持续存在，是因为地球上植物的光合作用不断补充。事实上，我们的大气是一种特例：如果在一颗围绕太阳以外恒星运行的行星周围发现同样富含氧的大气，最可能的解释其实是存在生命。但67P上的氧与生命毫无关系。尽管这颗彗星含有一些 生命的构成单元，但它并不具备将其组装起来的条件。
我们已知，水、一氧化碳和二氧化碳是彗星彗发中的 主要气体 。因此，该研究的作者首先排除了氧来自探测器或由推进器推进剂反应产生的可能性。其他解释包括化学反应，或与辐射（例如紫外线）相互作用，后者同样可能分解这些分子而产生游离氧。
在其他冰质天体上观测到的少量氧，例如 木星的卫星 ——欧罗巴、盖尼米得和卡利斯托——以及土星环，是由紫外线（光解）或更高能量的辐射（辐解）分解水或二氧化碳分子而产生的。然而，研究人员测得，随着67P接近太阳，氧持续释放，这表明氧在整个冰质核中分布均匀，而非彗星形成以来光解或辐解作用的结果。
太阳系中的彗星由行星形成后残留的物质构成。这意味着，要理解氧是如何出现在彗星中的，我们必须回到太阳系由 太阳星云或原行星盘 形成的时期。彗星在通过积累微小的冰粒和尘埃颗粒而增长时能够掺入氧，这是一回事；而将其保存至今则是另一回事。氧至今仍存在，进一步印证了这一观点：彗星确实是太阳系在45亿年前形成过程中保存得最为原始、受改造最少的遗迹。
但如果67P的彗尾中含有氧，我们在其他测量和其他彗星上肯定也曾见到过吧？遗憾的是，利用望远镜观测彗星很难探测到氧。因此，科学家目前正忙于重新审视另一次 与彗星的近距离相遇（哈雷彗星，近30年前）的数据。
窥见太阳系的诞生
但目前没有理由认为67P上的氧是孤例。那么，游离氧的存在能告诉我们，被认为孕育了我们太阳系的太阳星云或原行星盘，其条件如何？
游离氧在星际星云或星际云中很少被观测到，因此我们原本不会预期太阳系形成时其中存在游离氧。但也有例外，其中一个或许是理解这一现象的关键。云团 ρ Ophiuchi 的温度略高，为20至30开尔文（-253°C至-243°C），高于星际云的平均温度，后者约为 10开尔文（-263°C）。这一“温暖”云团中氧与水的比例，与在67P彗发中观测到的比例相当。温度略微升高，会使氧更容易升华（即未经液态直接转变为气态），而不是在冷冰与尘埃颗粒表面凝结（即由气态转为液态）；在那里它会与氢反应生成水。
这意味着，我们的太阳系或许是由一团异常温暖的云团形成的，而这引出了一个问题：是什么导致了这种较高的温度？
该研究的作者还探讨了氧形成并融入彗星的其他更为复杂的途径。将O2气体截留于水冰颗粒中，需要快速的加热和冷却事件。另一方面，星云中冰颗粒的辐解，则要求这些颗粒以未受改变的方式组装成彗星，这意味着我们不应预期颗粒碰撞或其他潜在热源带来太多冲击。
希望更多研究或许能帮助我们厘清太阳系形成最早阶段所发生的事件顺序。罗塞塔对彗星67P/Churyumov-Gerasimenko的探测依然令人振奋，因为它为我们提供了一扇窗口，让我们得以回望行星形成之前的时期。我们可以期待这颗彗星为我们带来的下一个惊喜。
发表本文并不意味着世界经济论坛认同其中观点。
如需及时了解 Agenda 动态，请 订阅我们的每周通讯。
作者：Christian Schroeder，斯特灵大学环境科学与行星探索讲师。
图片：图中可见彗星，为五分钟长曝光拍摄。REUTERS/Aaron Kingery/NASA/MSFC/Handout.
