Головы комет могут быть зелеными, но не хвостами: спустя 90 лет мы наконец знаем, почему

Эти снежки — или, как мы их знаем, кометы — претерпевают красочные метаморфозы, пересекая небо, при этом головы многих комет приобретают сияющий зеленый цвет, который становится ярче по мере приближения к Солнцу.

Но, как ни странно, этот зеленый оттенок исчезает, прежде чем достигнет одного или двух хвостов, тянущихся за кометой.

Астрономы, ученые и химики ломали голову над этой загадкой почти столетие. В 1930-х годах физик Герхард Герцберг предположил, что это явление произошло из-за того, что солнечный свет разрушает двухатомный углерод (также известный как дикарбон или C₂), химическое вещество, образовавшееся в результате взаимодействия солнечного света и органического вещества на голове кометы, но поскольку дикарбон нестабилен, эту теорию трудно проверить.

Новое исследование UNSW в Сиднее, опубликованное сегодня в Труды Национальной академии наук (PNAS), наконец-то нашел способ проверить эту химическую реакцию в лаборатории — и тем самым доказал правильность этой теории 90-летней давности.

«Мы доказали механизм, с помощью которого дикарбон расщепляется солнечным светом», — говорит Тимоти Шмидт, профессор химии UNSW Science и старший автор исследования.

«Это объясняет, почему зеленая кома — нечеткий слой газа и пыли, окружающий ядро, — сжимается по мере приближения кометы к Солнцу, а также почему хвост кометы не зеленый».

Ключевой игрок в центре загадки, дикарбон, обладает высокой реакционной способностью и ответственен за то, что многие кометы приобретают зеленый цвет. Он состоит из двух слипшихся атомов углерода и может быть обнаружен только в чрезвычайно энергичных или низкокислородных средах, таких как звезды, кометы и межзвездная среда.

Диуглерода не существует на кометах, пока они не подобраться к Солнцу Когда Солнце начинает нагреваться кометой вверх, органическое вещество, живущие на испарится ледяная ядра и двигается к коме. Солнечный свет затем разбивает эти крупные органические молекулы, создавая диуглерод.

Команда UNSW показала, что по мере приближения кометы Еще ближе Что касается Солнца, крайнее ультрафиолетовое излучение расщепляет недавно созданные молекулы дикарбона в процессе, называемом «фотодиссоциация». Этот процесс разрушает дикарбон до того, как он сможет уйти далеко от ядра, в результате чего зеленая кома станет ярче и сузится, а зеленый оттенок никогда не попадет в хвост.

Это химическое взаимодействие впервые изучается здесь, на Земле.

«Мне кажется невероятным, что кто-то в 1930-х годах подумал, что, вероятно, именно это и происходит, вплоть до уровня детализации механизма того, как это происходило, а затем, 90 лет спустя, мы выясняем это. является что происходит », — говорит г-жа Жасмин Борсовски, ведущий автор исследования и бывшая студентка UNSW Science Honors.

«Герцберг был выдающимся физиком и в 1970-х годах получил Нобелевскую премию по химии. Довольно интересно иметь возможность доказать одну из вещей, о которых он теоретизировал ».

Профессор Шмидт, который изучает диуглерод в течение 15 лет, говорит, что результаты помогут нам лучше понять, как диуглерод и кометы.

«Дикарбон образуется в результате распада более крупных органических молекул, вмороженных в ядро ​​кометы — типа молекул, которые являются ингредиентами жизни», — говорит он.

«Понимая его время жизни и разрушение, мы можем лучше понять, сколько органического материала испаряется с комет. Подобные открытия однажды могут помочь нам разгадать другие космические загадки ».

Лазерное шоу, как никто другой

Чтобы решить эту загадку, команде нужно было воссоздать тот же галактический химический процесс в контролируемой среде на Земле.

Они осуществили это с помощью вакуумной камеры, множества лазеров и одной мощной космической реакции.

«Сначала нам пришлось создать эту молекулу, которая слишком реактивна, чтобы хранить ее в бутылке», — говорит профессор Шмидт. «Это не то, что мы могли бы купить в магазинах.

«Мы сделали это, взяв более крупную молекулу, известную как перхлорэтилен или C₂Cl₄, и взорвать его атомы хлора (Cl) с помощью мощного УФ-лазера ».

Новые молекулы дикарбона отправлялись путешествовать через газовый луч в вакуумной камере, длина которой составляла около двух метров.

Затем команда направила еще два УФ-лазера на дикарбон: один для заполнения его излучением, другой для обнаружения его атомов. Радиация разорвала дикарбон на части, отправив его атомы углерода на датчик скорости.

Анализируя скорость этих быстро движущихся атомов, команда смогла измерить прочность углеродной связи примерно до одного из 20 000, что эквивалентно измерению 200 метров с точностью до сантиметра.

Г-жа Борсовски говорит, что из-за сложности эксперимента им потребовалось девять месяцев, прежде чем они смогли сделать свое первое наблюдение.

«Мы собирались сдаваться,» говорит она. «Это заняло так много времени, чтобы убедиться, что все было точно выстроены в пространстве и времени.

«Все три лазера были невидимы, поэтому в темноте было много уколов — в буквальном смысле».

Профессор Шмидт говорит, что это первый раз, когда кто-либо наблюдал эту химическую реакцию.

«Очень приятно решить загадку, которая восходит к 1930-м годам».

Решение космических загадок

В Солнечной системе около 3700 известных комет, хотя предполагается, что их может быть на миллиарды больше. В среднем ядро ​​кометы имеет колоссальную ширину 10 километров, но ее кома часто в 1000 раз больше.

Яркие кометы могут устроить грандиозное зрелище для тех, кому посчастливится их увидеть. Но в прошлом кометы могли сделать для Земли больше, чем это, — фактически, одна из теорий происхождения жизни состоит в том, что когда-то кометы доставляли строительные блоки жизни прямо к нашему порогу.

«Это захватывающее исследование показывает нам, насколько сложны процессы в межзвездном пространстве», — говорит профессор Мартин ван Кранендонк, астробиолог и геолог UNSW, не принимавший участия в исследовании.

«Ранняя Земля столкнулась бы с беспорядком из различных углеродсодержащих молекул, доставленных на ее поверхность, что позволило бы протекать еще более сложным реакциям, ведущим к жизни».

Теперь, когда дело о пропавшем зеленом хвосте у комет раскрыто, профессор Шмидт, специализирующийся на космической химии, хочет продолжить решение других космических загадок.

Затем он надеется исследовать диффузные межзвездные полосы: узоры темных линий между звездами, которые не соответствуют ни одному из известных нам атомов или молекул.

«Диффузные межзвездные полосы — довольно большая нерешенная загадка», — говорит он. «Мы не знаем, почему свет, приходящий на Землю, часто теряет поклевку.

«Это всего лишь еще одна загадка в огромном перечне странных вещей в космосе, которые нам еще предстоит открыть».