JWST 在星际天体 3I/ATLAS 上探测到甲烷

JWST 刻画星际天体 3I/ATLAS 特征，探测到甲烷和地表下挥发物

詹姆斯·韦布空间望远镜 (JWST) 在系外访客研究方面取得了一项重大里程碑，完成了对星际天体 3I/ATLAS 的首次中红外光谱分析。这一来自太阳系外的第三个确认访客，为天文学家提供了一个罕见且详尽的机会，去窥探在遥远异星环境中形成的天体的化学组成。利用该望远镜的中红外仪器 (MIRI)，一个包括 Matthew Belyakov、Ian Wong 和 Bryce T. Bolin 在内的研究团队在近日点后对该天体进行了观测，获取的数据表明其经历过复杂的热演化历史，并保留了古老的地表下挥发物。这些于 2025 年 12 月观测获得的结果，代表了我们在采样其他恒星系统“建筑材料”能力上的范式转移。

3I/ATLAS 的到来继神秘的 1I/‘Oumuamua 和更具传统彗星特征的 2I/Borisov 之后。然而，由于其轨道时机和 JWST 前所未有的灵敏度，3I/ATLAS 提供了一个独特的表征机会。运动学分析表明，该天体可能起源于银河系的厚盘（一个由古老恒星聚集的区域），并从人马座 (Sagittarius) 方向接近我们的太阳系。通过研究此类天体，科学家可以确定我们太阳系的化学蓝图是普遍的，还是银河系邻里中的异类。对 3I/ATLAS 的观测是在 2.20 和 2.54 au 的日心距离下进行的，这为研究该天体在开始漫长的星际空间返回旅程时的喷气行为提供了一个窗口。

3I/ATLAS 的科学意义及其挥发物特征

为了获取 3I/ATLAS 的化学指纹，研究人员使用了 JWST 上的 MIRI 仪器的中分辨率光谱仪 (MRS)。这使得探测 5–28 微米波段范围内的特定荧光特征成为可能。主要发现包括在 5.8 至 7.0 微米之间清晰探测到水蒸气的 \(\nu_2\) 带，以及中心位于 15 微米附近的二氧化碳 (CO₂) 主 \(\nu_2\) 带及其相关的热带。这些测量结果揭示了一个引人注目的化学剖面：3I/ATLAS 表现出异常高的二氧化碳与水的比例，约为 8:1。这一比例明显高于典型的太阳系彗星，表明该天体可能形成于一个二氧化碳富集的区域，或者是在特定的辐射条件下改变了其原始化学性质。

除了标准的挥发物外，MIRI 光谱还揭示了 7.507 微米处原子镍的禁戒跃迁。在彗核大气（彗发）中存在此类重金属蒸汽是直到最近才在太阳系彗星中被认识到的现象，而在星际天体中探测到它，强调了不同恒星系统间某些热过程的共性。团队还在近核彗发内观察到了水产量的延展源，这表明喷气不仅来自核本身，还来自夹带在彗发内的冰粒。这种“延展源”现象为 3I/ATLAS 的物理结构提供了线索，表明其具有脆弱的冰质成分，在受热时会脱落物质。

甲烷和地表下物质的突破性探测

或许 JWST 活动中最具开创性的结果是首次在星际天体中直接探测到甲烷 (CH₄)。甲烷是一种高挥发性物质，由于太阳加热，通常会从彗星天体的表面层耗尽。在 3I/ATLAS 的案例中，研究人员注意到甲烷产量的启动相对于水有所延迟。这表明甲烷并不存在于紧邻的表面，而是被锁在未经处理的地表下物质中。随着太阳热量在近日点通过期间深入天体内部，这些“新鲜”的挥发物被释放出来，让人们得以一窥自该天体数百万或数十亿年前形成以来一直未曾改变的原始物质。

这一发现回答了关于星际天体上是否存在甲烷的长期疑问。虽然之前对 2I/Borisov 的观测暗示了各种含碳分子，但在 3I/ATLAS 中直接鉴定出 CH₄ 证实了这些星际旅行者携带了复杂化学反应所需的有机前体。与奥尔特云 (Oort Cloud) 彗星的基准相比，富集的 CH₄:H₂O 比例进一步将 3I/ATLAS 区别为一个化学性质独特的存在。地表下甲烷的出现充当了“热时钟”，讲述了该天体最外层如何被星际辐射和之前的加热事件处理，而其 interior 则保留了来自另一个世界的低温时间胶囊。

对比行星学与 3I/ATLAS 喷气的动力学

JWST 的观测被分为 2025 年 12 月相隔 12 天的两个不同阶段。这一时机允许研究团队跟踪该天体远离太阳时的活动演变。有趣的是，数据显示在这段短暂的时间内，整体喷气活动显著减少。最值得注意的是，测得的水活动水平下降得比其他气态物质更为剧烈。这种差异化的喷气为相关物质的挥发性提供了关键数据；随着表面冷却，水（其升华所需的能量高于 CO₂ 或 CH₄）是产量最先下降的。这种行为进一步巩固了 3I/ATLAS 作为相对于太阳系内部发现的更“温和”的彗星而言，属于高度富含挥发物天体的地位。

在将 3I/ATLAS 与本地彗星进行比较时，最明显的差异仍然是二氧化碳的富集。虽然大多数奥尔特云彗星以水为主要挥发物，但 3I/ATLAS 似乎由碳氧化物主导。这种化学特征可能指向一个围绕比太阳更冷的恒星运行的原行星盘形成环境，或者可能是在盘中二氧化碳冰占据主导地位而非水冰的区域。研究人员认为，3I/ATLAS 可能起源于星系薄盘和厚盘之间的过渡带，可能位于一个被恒星交会扰动的原始微行星盘或系外奥尔特云中。

星际研究的未来方向

对 3I/ATLAS 的成功表征标志着“异星”天文学新时代的开始。通过为星际访客建立化学基准，JWST 正在提供必要的数据，以建立更精确的行星系统在整个星系中如何形成和演化的模型。在单个星际天体中存在甲烷、二氧化碳和原子镍，表明这些天体的多样性可能比之前预想的还要大。每一个新访客都提供了一个来自遥远太阳系的“免费”样本，让我们免于跨越光年的不可能旅程去接触它们。

展望未来，科学界正在为此类发现的激增做准备。即将建成的 Vera C. Rubin Observatory 及其时空遗产调查 (LSST)，预计将在星际天体进入我们的邻里时探测到更多此类天体。随着 JWST 提供高分辨率的“后续”能力，天文学家很快将从研究像 3I/ATLAS 这样的个体奇观，转向对星际化学多样性进行统计调查。这种对挥发物如何在广阔的太空距离中保存的不断演进的理解，最终将帮助我们了解生命建筑材料的起源以及整个银河系中宜居环境的频率。