美国国家航空航天局（NASA）的詹姆斯·韦伯太空望远镜（James Webb Space Telescope, JWST）近日发布了对星际彗星3I/ATLAS的最新中红外观测成果。利用搭载的中红外仪器MIRI（Mid‑Infrared Instrument）所获取的化学指纹，研究人员首次直接在这颗来自太阳系外的彗星上检测到甲烷气体，同时发现其二氧化碳含量远高于太阳系内常见彗星。该研究已发表于《天体物理学期刊通讯》（The Astrophysical Journal Letters）。
3I/ATLAS是继2I/Borisov之后第二个被确认的星际彗星，由ATLAS巡天系统发现。去年年底，在彗星通过近日点后，韦伯团队利用MIRI仪器进行了两次跟踪观测：第一次在12月15日至16日，当时彗星距太阳约2.05亿英里（3.29亿公里）；第二次在12月27日，距离增加至约2.36亿英里（3.79亿公里）。这些数据首次提供了星际彗星在中红外波段上的完整化学组成信息。
埋藏的甲烷：揭示了彗星内部结构分层
甲烷是一种高挥发性物质，在极低温度下即可直接从固态升华为气态。此前太阳系内的彗星也常含有甲烷，但在星际彗星上直接探测到甲烷尚属首次。韦伯的光谱数据显示，甲烷信号仅在彗星离开近日点后才变得明显，研究团队据此推断，甲烷冰并非暴露在彗星表面，而是被埋藏在浅层表面之下。
当彗星运行至太阳附近时，表层吸收热量后逐步向内传递，使底层冰物质达到升华温度，从而冲出表层释放到大气中。这一过程表明彗星内部呈现分层结构：外表层由挥发性较低的物质组成，能够保护高挥发性物质免受过早损耗。同时，甲烷与水的丰度比例远高于太阳系中绝大多数彗星，目前仅在极少数太阳系彗星中观测到类似的高比例，这意味着3I/ATLAS在其母星系统中形成时经历了不同的化学过程。
二氧化碳显著异常：指向全然不同的形成环境
除了甲烷，韦伯还精确测量了彗星释放的二氧化碳含量。相对于水的比例，3I/ATLAS释放的二氧化碳异常丰富，远远超过太阳系彗星的平均水平。这一结果连同甲烷的高丰度，共同构成了与“本地”彗星截然不同的化学指纹。
天文学家认为，彗星的化学成分直接反映了其形成初期的原行星盘环境。太阳系内的彗星通常形成于太阳系外缘的寒冷区域，所含主要冰物质为水、一氧化碳、二氧化碳等，但3I/ATLAS的二氧化碳比例之高暗示其形成区域可能存在更活跃的碳‑氧化学，或者周围环境温度更低、辐射场更强，导致部分易挥发物质得以保留。这些差异进一步支持了3I/ATLAS来自一个与太阳系迥异的恒星系统，并可能在星际空间流浪了很久。
活动迅速衰减：韦伯追踪彗星“冷却”过程
两次观测不仅提供了化学成分的快照，还揭示了彗星活动随太阳距离增加而发生的动态变化。从12月中旬到月底，所有挥发性气体的产生率都出现明显下降，其中水的降幅最为剧烈，下降比例远超甲烷和二氧化碳。这是因为水在彗星所含冰物质中挥发性最低，随着表面温度降低，冰升华直接放缓；而甲烷和二氧化碳在更低温度下仍能保持活跃，因此衰减相对平缓。
这种差异化的衰减模式与理论预期一致，并验证了韦伯MIRI在连续监测方面的高灵敏度。研究团队表示，后续如果能在更大的日心距上再次观察，将有机会进一步约束彗星表面和次表面的冰组分及物理结构。
技术核心：MIRI中分辨率光谱仪
此次突破性观测依赖于韦伯上搭载的MIRI设备中的中分辨率光谱仪（Medium Resolution Spectrometer, MRS）。MRS将中红外光（波长5‑28微米）分离成精细的光谱，每一段波长的吸收或发射特征都对应某种分子或原子的转动‑振动跃迁，从而实现对气体分子如甲烷、二氧化碳、水等的同时识别与定量。相比于光学波段或近红外波段，中红外波段更擅长检测冰物质升华产生的气体和复杂有机分子，因此MIRI成为研究彗星内部化学成分的理想工具。
在此之前，对星际彗星的化学分析多依赖地面望远镜的近红外或光学光谱，受到大气窗口限制，难以覆盖完整的中红外范围。韦伯则提供了不受大气干扰的纯净视角，使得对微弱气体的精确测量成为可能。
名词解释与规格科普
中红外光谱：中红外（Mid‑Infrared）指波长约2.5‑25微米的电磁波区域。不同分子含有特定的化学键振动频率，会在中红外波段吸收或发射特定波长的光，形成“指纹”谱，通过分析谱线位置即可识别物质种类及相对含量。天文领域常用中红外光谱分析彗星、行星大气和星际介质的化学成分。
MIRI（中红外仪器，Mid‑Infrared Instrument）：詹姆斯·韦伯太空望远镜上的四台科学仪器之一，覆盖5‑28微米波段，兼具成像、低分辨率光谱和中分辨率光谱功能。其灵敏度远超以往任何红外望远镜，是韦伯研究冷天体、尘埃和分子气体的核心利器。本次观测使用的正是MIRI的中分辨率光谱仪模块（MRS）。
3I/ATLAS：继2I/Borisov之后第二个被确认的星际彗星，编号3I代表第三颗（Three I），I表示星际（Interstellar）。由ATLAS（小行星陆地撞击最后警报系统）巡天发现，故得名3I/ATLAS。它来自太阳系外，以双曲线轨道掠入内太阳系后再度逃离。其化学组成与太阳系彗星存在显著差异，为研究其他行星系统形成环境提供了稀有机会。
本文参考来源：Science Daily
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