天马望远镜揭示星际彗星3I/ATLAS彗发冰粒升华对水汽的主导贡献
近日，中国科学院上海天文台研究人员利用天马望远镜对星际彗星3I/ATLAS开展了高灵敏度射电观测，也是天马望远镜首次完成对星际天体的观测。研究显示这颗来自太阳系外的小天体在向太阳靠近过程中释放出大量的水汽和一氧化碳。特别的是，很大一部份水汽并不直接来自彗核，而是来自彗发中冰粒的二次升华。这一发现为理解其他行星系统中小天体的形成环境和挥发物组成提供了新的关键线索。相关成果以“Preperihelion Volatile Evolution of Interstellar Comet 3I/ATLAS Indicating Significant Contribution from an Extended Source in the Coma”为题，发表于国际天文学期刊《天体物理学报快报》（The Astrophysical Journal Letters）。
显著的“扩展源”效应
3I/ATLAS于2025年7月被发现，是继1I/ʻOumuamua和2I/Borisov之后人类确认的第三个星际天体，也是第二颗被确认具有明显彗星活动的星际彗星，获得了科学界和公众的高度关注。此前，多波段观测已经表明，3I/ATLAS在较远日心距离上就表现出尘埃和气体活动，并呈现出与典型的太阳系彗星不同的特征。
在这项新研究中，研究团队利用上海天文台天马65米射电望远镜对3I/ATLAS开展了持续监测，通过1.6 GHz波段的OH谱线追踪3I/ATLAS的水汽释放随日心距的变化。在彗星距离太阳约2.27天文单位和1.96天文单位时，研究团队成功探测到OH信号。结果显示，3I/ATLAS在2.27天文单位时每秒释放约0.43吨水汽，这一水产率在1.96天文单位时升高到每秒0.62吨，增幅超40%。
研究团队发现，即使在相近的日心距，不同望远镜测得的水产率存在很大差异，经过分析认为这是由于3I/ATLAS存在显著的“扩展源”（extended-source）效应，即已经离开彗核的含冰颗粒在彗发中继续升华，额外释放出大量水汽。小视场的望远镜只能测得彗发中心部分的水汽，远低于整体水产率。
为了量化研究这一机制，研究团队建立了一个双组分参数化模型，区分来自于彗核和彗发的产率贡献（图1）。蒙特卡洛方法分析表明，在3I/ATLAS抵达近日点前，扩展源对总水产率的贡献可达80%，即大部分被观测到的水并非直接从彗核表面喷发，而是由彗发中的冰粒持续释放。随着3I/ATLAS进一步接近太阳，这一比例逐渐下降，但即使在接近近日点时，扩展源仍可能贡献约一半的水释放量（图1d）。
图1. 3I/ATLAS中扩展源的贡献模拟。(a) H2O产生率与日心距的幂律关系（黑：大孔径数据；蓝：小孔径数据；红：直接来自于彗核的产生率）。(b) 柱密度随日心距的变化关系。(c) H2O扩展源的等效空间尺度随日心距的变化关系。(d) 不同口径测得的水产生率中，扩展源所占的比例随日心距的变化关系。
此前，太阳系彗星103P/Hartley也展示出强烈的扩展源升华现象。然而，并非所有彗星都存在该机制，著名的67P/Churyumov-Gerasimenko喷发的颗粒就整体“偏干”。至于3I/ATLAS喷发出的颗粒为何富含水冰，研究人员将综合其近日点前后的整体活动性演化进行进一步研究。
天马望远镜因其高灵敏度和L波段宽波束覆盖能力，能够能够完整捕捉彗发范围的OH信号，为研究彗星活动机制，尤其是“扩展源”效应提供了关键数据支持。此前，天马望远镜已成功观测过多颗彗星，包括C/2013 US10、12P/Pons-Brooks、C/2023 A3 (Tsuchinshan-ATLAS)、C/2024 G3 (ATLAS)等（如图2），成为彗星射电观测的重要平台。
图2. 天马射电望远镜及它观测过的彗星
高于太阳系彗星的一氧化碳含量，或源于更寒冷环境
除了水汽，研究团队还利用紫金山天文台德令哈13.7米毫米波望远镜， 在约2.33至1.75天文单位范围内获得了115 GHz的CO谱线，并测得3I/ATLAS平均一氧化碳产生率约为每秒0.27吨，并据此推算出CO/H2O比例约为28%。这一数值明显高于太阳系大多数彗星在相似日心距离下的典型水平。这一比例虽然低于此前的星际彗星2I/Borisov，仍表明3I/ATLAS拥有相对富集的一氧化碳挥发物库存，显示不同星际彗星之间也存在显著成分差异。
3I/ATLAS的CO相对于HCN也表现出偏高丰度，进一步支持其形成于比太阳系更寒冷、能够保存更多低温挥发物的行星系统环境中。
未来，随着更多星际彗星被发现，天文学家们有望通过多波段综合观测和数据分析研究这些来自太阳系外的冰质小天体的物理结构和化学组成，从而了解其他恒星系统的演化历史。
该研究获得国家自然科学基金资助。
论文链接：https://doi.org/10.3847/2041-8213/ae45a2
科学联系人：
李浚岑，jcli@shao.ac.cn
史 弦，shi@shao.ac.cn
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