化学模型化

—个似乎是从洛沙拉摩斯（Los Alamos）的几个小组和喷气推动实验室（还有其他的小组）的计算得来的结论为：彗核并不是主要由现在从原子物质的化学平衡所预测的简单分子所组成，种种更复杂的物质——那些在黑暗的星云中观察到的代表性物质——也该存在。这并不奇怪，因为太阳系就是由一星云形成的。但是这种星云的详尽的化学了解得不如彗星的化学。

例如，在这些模型中，许多彗发中的C₂分子最终是由乙炔C₂H₂产生的，这得到了证明。最后的反应是典型的乙炔基C₂H的光分解和乙炔阳离子C₂H₂⁺的离解重组反应。有些C₂分子可由C₃分子产生，反过来C₃分子又是从其他碳链分子产生的。如另外一个例子，氰基CN可由多种途径产生。在一个小组的模型中，重要的最后一步反应便是乙腈CH₃CN和氰酸HCN的光分解。异氰酸HNC的光解和氰酸阳离子H₂CN⁺的分解重组反应对氰基的产生贡献较小。

这些化学模型终究要严格限制原始星云的条件，我们的太阳系就是自这种气体和尘埃的星云形成。虽然尽人皆知彗星难以观察，但是对于每一种所观测到的物质，以及由于沿视线处丰度的变幻莫测而不能观测到的星云中的某些物质，其可靠的空间分布还是可以得出。尽管我们还没有详细了解它们的产生机理，但是我们还是能凭观测得出有关它们的某些结论。

虽然仅仅在为数不多的几颗彗星中观察到了许多的物质，但少数几种物质已普遍地观察到，这几种物质在光谱的可见区具有强吸收。对于物质的数目和彗星离太阳的距离，可以作出某些一般的结论，二者都是从一大群彗星中统计的。在少数几种情况下，才是从所观察到的超出一定距离的一颗彗星中统计的。例如，远离太阳的彗星（比如说两个天文单位以上的）往往比那些离太阳近的彗星（比如说1.5个天文单位的）具有更少的C₂分子。这很可能是部分地由于C₂的产生比氰基的产生更加依赖于C₂分子在彗发中的密度，氰基CN基本上是由光化学过程产生的。无论什么原因，即使在单个的彗星中这一效应也可见到，当它变换离太阳的距离时。这就表明，这一效应不是与彗星核的化学组成联系着的，而是与物质产生的确切方法相联系的。所以，当我们试图推断有关彗星核中物质丰度的某些情况时，校正这些效应也是合乎情理的。

过系统效应的校正之后，虽然这些数据揭示了彗星化学组成的均匀性，但是其它数据表明一氧化碳CO和二氧化碳CO₂的相对丰度有很大的变化。首先，从一个彗星到另一个彗星 - 氧化碳阳离子CO⁺的产生被认为有几个数量级的变化，有些彗星还显出凸出的阳离子尾巴，而其他的几乎没有。这可能是由于离子化机理的不同产生的，而不是由于组成的差别。

另一条证据为，有些彗星在变化其与太阳的距离时，其亮度也慢慢地发生变化，即使它们离太阳的距离有几个天文单位。这就意味着彗核的气化是由一种比水更易挥发的物质支配着，一氧化碳和二氧化碳是最合适的候选者。原子氧O的禁阻线的观察结果也表明有些彗星（但不是所有彗星）中有大量的一氧化碳和二氧化碳存在。

在少数几颗曾星中，由氧的¹D态所产生的一对红线比从观察到的氢氧根OH和原子氢H所预测的要强得多，而且氧的¹S态产生的绿线也是凸起的。水的光解有10%的可能性产生¹D态氧，¹D态氧产生一对红线。¹S态的氧仅能由一氧化碳的光解产生，一氧化碳才是绿线和一对红线的来源。以这种技巧对一氧化碳（或二氧化碳）的相对丰度的估计表明，在少数几颗彗星中，一氧化碳（或二氧化碳）的产生速度等于水的产生速度的50%。

遗憾的是，直接观察一氧化碳很困难，它具有极小的偶极，所以其所有转变的振动强度很小，产生极弱的萤光。有人观测了“1975—西方号”彗星的强紫外区。据估计，它也是一颗一氧化碳的产生量相对很高的（基于氧的谱线）彗星。像西方号这样的彗星似乎很少，所以相关的观测结果也相当稀少。然而有迹象表明，有一类彗星可能比绝大多数其他的彗星具有更多的一氧化碳或二氧化碳。这可能是由于欧特云（太阳系外的一大块球状彗星云）中彗星的混合产生的，这些彗星是由两个明显的区域起源的。这一有趣的可能性对太阳系的起源具有重要的含意。

核化学

彗星的固态冰中会产生些什么？这是另一类有趣的彗星化学。荷兰雷顿大学（University of Leiden）的J. M. 格林柏格（J. Mayo Greenberg）证明，冰的简单平衡混合物（如水、二氧化碳和氨气等的混合物）的紫外光解既产生高挥发性的物质，又产生折光的高分子。更近的一些时候，歌德宇宙飞行中心（Goddard Space Flight Center）的B. 多恩（Bertram Donn）和M. 英勒（Marla Moore）实验证实，同样的冰的简单混和物的质子辐射定性地产生相似的结果。

由于所用质子能代表银河系的宇宙射线，所以这些结果代表了发生在彗星核以外不远处的一种真实辐射过程。紫外光解也许发生过，但没有对彗星中任何一部分重要的物质发生过影响。而且，这一过程在彗星增大以前就该发生了，那时冰粒云正静止在一光源的附近。

关于这些实验、重要的是它们证实了全新物质的产生，即使辐射量是那样低，等到第二个质子到来时，来自第一个质子的热量就全部耗尽了。作为一个典型的例子，无论是一氧化碳还是二氧化碳，如果它处于彗星的冰中，辐射就会产生一种具有相当量的一氧化碳和二氧化碳的混合物。所以有人可能会指望从奥特云中首次到来的彗星的组成可能不同于周期性彗星，甚至不同于在过去的几百万年中通过了太阳系内层的非周期性彗星。当最新从奥特云中来的彗星还远离太阳时，它们往往非同寻常地亮，并且随着向太阳靠近，它们往往还慢慢地进一步增亮。已经毫不含糊地证明，在这样一类彗星和所有其他的彗星之间不存在化学的差别，但对于亮度的差异，一氧化碳或二氧化碳的量多只是一个似是而非的解释。

“彗星 - 1983”似乎提供了固态冰中由辐射产生化学物质的第一个明确的证据。约翰霍普金斯大学（Johns Hopkins University）的P. 费尔德曼（Paul Feldman）、D. G. 斯柴勒（David G. Schlercher，我的一个研究生）和我在此彗星中发现了S₂分子，在天文来源中这还是第一次。氏的空间分布表明，它该直接来自其核中。但是，如果该彗星是在低温下形成的，那么有人会认为任何游离的硫都已形成了S₂分子，而不是S₂分子。另一方面，从脉石中分离出来的亚硫物质的实验结果表明，游离硫是由光解形成的，硫原子可以迁移通过脉石，一旦脉石温度热至开氏几十度时，硫原子便重新结合成S₂分子。

我们断定，这就是发生在彗星中的确切过程。在彗星中，一个可能的前体物是CS₂，即假设的CS的母体分子，CS倒是在彗星中广泛地观察到了。在以前并未观察到S₂分子，是因为它很快地被光分解。S₂分子也只有当彗星来到离地球非同寻常地近时，才能观察到，因为这时我们可以利用足够的空间变换来观测，以将S₂分子从更长寿命的物质中分析出来。由于“彗星 - 1983”具有仅仅为1000年的轨道周期，它大概很频繁地通过内层太阳系，失去了其表面层，因此，我们认为辐射过程发生在冰聚集到核中之前。如果证明了S₂分子也存在于短周期的彗星中，我们就可以断定辐射过程发生在彗星形成之前，而且在太阳系形成之前冰粒子就已基本形成了。

由于推断彗星核中分子丰度的困难，德尔塞姆（Delsemme）估计了原子的丰度，在彗星核本身和彗发两者的化学过程中，这些丰度都保持着。还有必要假定，大多数彗星物质（至少以一种被改变了的形式，例如被光解后的碎片）可以在彗发中看得见。德尔塞姆（Delsemme）估计，氢已被严重地耗尽，这表明原始太阳星云中的温度从来没有低至足以凝结纯氢的程度。这一描述与原始星云中大量的物质都是水是一致的。德尔塞姆还认为由于氢和氧的比不足二，大多数碳应以CO和CO₂的形式存在。不过整个来讲更重要的是彗星中碳的丰度远比宇宙中小。其余的碳应该包含在石墨束或卡宾中，其他的非挥发性高分子中或几种从地球上测不出的物质中。如果碳真的不存在，那么这样的彗星应该在对凝结甲烷还太高了的温度下形成的，因为氢的高宇宙丰度占去了所有的碳。

在下一次哈雷彗星来临之际，我们关于彗星的化学知识将产生量子式的飞跃。这颗彗星以一变化的周期（由于行星的摄动，不为现在的约76年）绕太阳运行。自1982年10月以来，我们就看到它正接近着太阳。已发射了的四艘宇宙飞船不但会以每秒钟七十公里的近彗星速度遇上它，它们还将作一些独特的测量。

[C&EN 1984年5月28日]