当詹姆斯?韦伯太空望远镜（JWST）的近红外光谱仪在 2025 年 8 月捕捉到 3I/ATLAS 彗发的分子指纹时，天文学家们意识到他们正在见证太阳系外物质的首次清晰化学画像。这颗以每秒 63 公里高速穿越太阳系的星际访客，其彗发中高达 70% 的二氧化碳占比，彻底颠覆了人类对彗星化学成分的固有认知。作为继 "奥陌陌" 和 "鲍里索夫" 之后第三颗被确认的星际天体，3I/ATLAS 不仅带来了其母恒星系统的原始物质样本，更通过 JWST 的精密观测，为我们打开了一扇窥探太阳系外化学演化的窗口，引发了关于行星形成、星际物质交换乃至生命起源的全新思考。
观测突破：捕捉星际信使的化学指纹
JWST 对 3I/ATLAS 的观测时机堪称天文学家的精妙设计。2025 年 7 月，当这颗天体穿过木星轨道被首次发现时，其距离太阳约 6.7 亿公里，正处于彗发开始活跃的关键阶段。科学家们迅速调整 JWST 的观测计划，利用其搭载的 NIRSpec 仪器在 3.3 微米波段捕捉到了强烈的二氧化碳特征峰，而通常在太阳系彗星中占主导的水分子信号却异常微弱。这种反常的化学组成，在太阳系内已知的 1000 多颗彗星中从未出现过 —— 即使是柯伊伯带彗星，其二氧化碳含量也仅为水冰的 0.1%-1%，而 3I/ATLAS 的观测数据显示，其挥发物中二氧化碳与水的比例达到了惊人的 3:1。
这一观测成果的取得依赖于 JWST 独特的技术优势。不同于哈勃望远镜的可见光观测，JWST 的近红外探测能力能够穿透彗星周围的尘埃，直接识别分子振动产生的特征光谱。在 8 月 10 日至 15 日的观测窗口期内，科学家们通过多轮光谱扫描确认，3I/ATLAS 的彗发直径已扩展至约 12 万公里，其中二氧化碳分子的空间分布呈现出明显的径向梯度，表明这些气体正从彗核内部持续升华。这种活跃的挥发物释放行为，结合其 175.1 度的极端轨道倾角，进一步确认了它的星际起源 —— 这是一颗不受太阳引力束缚的宇宙流浪者，其轨道参数与太阳系原生天体截然不同。
3I/ATLAS 的物理特性同样令人瞩目。尽管哈佛教授阿维?勒布曾推测其直径可能达 20 公里，但 JWST 的高精度成像结合彗发活动模型，将其彗核直径精确限制在 5.6 公里以内。这个致密的冰雪核体在接近太阳的过程中，表面冰层受热升华形成了独特的 "尘气混合云"，其中二氧化碳分子在太阳辐射激发下发出的特定红外辐射，成为 JWST 捕捉的关键目标。观测团队负责人、美国国家科学基金会博士后研究员 Darryl Seligman 指出："这是我们首次获得星际彗星的完整化学图谱，其二氧化碳主导特征挑战了我们对行星形成区域化学分异的传统理解。"
此次观测的时间窗口选择尤为关键。天文学家利用 3I/ATLAS 在 2025 年 10 月 29 日到达近日点前的轨道特性，此时天体既足够接近太阳以激活彗发活动，又未因过强太阳辐射导致信号失真。JWST 的观测数据显示，随着与太阳距离从 4.2 亿公里缩短至 2 亿公里，其二氧化碳释放速率从每秒 1.2 公斤增至 3.5 公斤，而水汽释放始终保持在较低水平，这进一步印证了该天体原始冰层的特殊组成。这种持续稳定的观测数据，为排除仪器误差或瞬时现象干扰提供了坚实基础。
宇宙化学新范式：太阳系外的冰与尘埃
3I/ATLAS 的化学组成如同一封来自遥远恒星系统的 "分子信笺"，其内容正改写着我们对星际物质循环的认知。在太阳系中，彗星的化学成分直接反映其形成位置：奥尔特云彗星富含氨和甲烷，形成于太阳星云外围的低温区域；而柯伊伯带彗星则以水冰为主，夹杂少量二氧化碳。但 3I/ATLAS 的二氧化碳主导特征，指向一种完全不同的形成环境 —— 它很可能诞生于某个恒星系统的 "二氧化碳冰线" 附近，那里的温度约为 20-30 开尔文，恰好允许二氧化碳凝结成冰却不足以形成大量水冰。
这一发现对行星形成理论的冲击尤为显著。传统模型认为，恒星系统中的挥发物分布呈现严格的温度梯度：最内侧是岩石物质，向外依次是水冰、氨冰和甲烷冰区域。但 3I/ATLAS 的化学特征表明，某些恒星系统可能存在截然不同的化学分异模式。NASA 戈达德太空飞行中心的行星科学家 Stefanie Milam 解释道："这颗彗星告诉我们，宇宙中至少存在一些恒星系统，其二氧化碳冰的积累效率远超太阳系，这将直接影响系外行星大气的化学成分演化。"
更深远的意义在于，3I/ATLAS 证实了复杂分子在星际空间的广泛存在与传播。 JWST 在其彗发中同时检测到了微量的甲醇和甲醛，这些都是构建生命所需的有机分子前驱体。这与日本 "隼鸟 2 号" 探测器在小行星 "龙宫" 发现氨基酸、默奇森陨石中检测到 100 多种有机分子的证据形成呼应，共同构成了 "生命前驱分子星际传递" 的完整证据链。不同于地球早期大气中通过米勒实验合成的有机物，星际彗星携带的这些分子可能在行星形成初期就已参与化学演化，为生命起源提供了另一种可能性。
比较行星科学因此获得了全新的参照系。通过分析 3I/ATLAS 的 ^13C/^12C 同位素比值（较太阳系彗星低 15%），天文学家推断其母恒星系统的碳循环可能与太阳存在本质差异。这种同位素特征暗示它可能形成于一个比太阳古老近一倍的恒星系统，其原始星云的化学演化历史更为悠久。正如中山大学李荐扬教授所言："这就像找到了来自另一个城市的古老信件，通过信纸和墨水的成分，我们能推测出那个未知世界的环境特征。"
科学争议与认知边界的拓展
3I/ATLAS 的到来引发了天文学界罕见的激烈争论。哈佛教授阿维?勒布提出的 "外星探测器假说"，将这场科学讨论推向了公众视野。他指出该天体存在六大 "异常特征"，包括近乎黄道面的逆行轨道（概率仅 0.2%）、近日点恰好在太阳背面等 "巧合"，认为这些难以用自然天体模型解释。然而 JWST 的化学观测结果成为反驳这一假说的关键证据 —— 彗发中自然形成的二氧化碳分子同位素分布，与任何已知人工造物的化学特征都存在本质区别。
主流科学界的回应则体现了严谨的实证精神。Darryl Seligman 团队通过量化分析彗发的 "模糊度"，确认其符合彗星活动的经典特征，并指出勒布对尺寸的估算未考虑彗发物质的贡献。更关键的是，二氧化碳在彗发中的空间分布呈现出典型的升华扩散模式，从彗核向外浓度逐渐降低，这与 JWST 观测到的 238P/Read 等主带彗星的水蒸汽分布规律一致，只是主导分子种类不同。这种一致性表明，尽管 3I/ATLAS 来自太阳系外，其物理过程仍遵循宇宙普遍的挥发物演化规律。
这场争议揭示了科学探索的本质矛盾：如何在已知理论框架与异常现象间取得平衡。勒布强调的 "0.005% 轨道概率" 确实值得关注，但天文学界更倾向于将其视为样本量不足导致的统计偏差 —— 毕竟人类目前仅发现三颗星际天体。JWST 团队采取的折中方案颇具启示性：他们既不排除任何可能性，又通过持续观测积累数据，计划在 10 月近日点前后进行更高分辨率的光谱分析，捕捉可能出现的更多分子信号。
该发现也促使科学家重新评估星际物质探测的优先级。不同于 "奥陌陌" 的小行星特征和 "鲍里索夫" 的类似太阳系彗星成分，3I/ATLAS 的独特化学组成使其成为最具研究价值的星际样本。NASA 行星科学部已启动专项评估，探讨是否调整未来探测器任务，以拦截此类星际访客并采集样本。初步模拟显示，若能在 2030 年前发射追踪探测器，有望在 3I/ATLAS 离开太阳系前获取其尘埃颗粒样本，这将是人类首次直接接触太阳系外物质。
宇宙化学普适性的哲学启示
3I/ATLAS 的二氧化碳彗发正在重塑人类对宇宙化学统一性的认知。长期以来，米勒实验所模拟的地球早期大气环境（富含二氧化碳和氮气）被视为生命起源的经典场景，而这颗星际彗星的化学组成表明，类似的富二氧化碳环境可能广泛存在于银河系的恒星系统中。这种化学环境的普遍性，为 "生命并非地球独有的偶然事件" 这一假说提供了新的支持证据。
该发现也引发了关于 "宇宙宜居带" 定义的重新思考。传统观点认为液态水是生命存在的必要条件，但 3I/ATLAS 显示，二氧化碳等挥发物可能通过彗星传递在行星形成早期就塑造其大气环境，即使处于传统宜居带之外的行星，也可能通过这种机制获得维持生命的潜在条件。戈达德太空飞行中心的研究团队正基于其化学数据，重新校准系外行星大气模型，评估更多行星可能存在的宜居潜力。
从更宏观的视角看，3I/ATLAS 的造访是人类首次有机会在 "自然实验" 条件下研究太阳系外物质。它携带的化学信息如同宇宙的 "标准样品"，让天文学家能够对比分析太阳系与其他恒星系统的物质起源差异。初步研究表明，其二氧化碳中较高的氧 - 17 同位素含量，暗示其形成区域经历过更剧烈的超新星活动，这为银河系不同区域的化学演化差异提供了直接证据。
当 3I/ATLAS 在 2028 年越过海王星轨道，重返星际空间时，它留下的不仅是观测数据，更是一套重新理解宇宙的化学坐标。JWST 的这一发现证明，二氧化碳 —— 这种地球上维系生命的关键分子，同样在太阳系外的广阔宇宙中扮演着重要角色。正如 NASA 天体化学部门主管所说："3I/ATLAS 就像一位来自远方的化学家，给我们带来了宇宙实验室的研究成果，而我们正刚刚开始解读其中的深刻内涵。"
未来十年，随着更多星际访客的发现和观测技术的进步，人类将逐步建立起银河系化学组成的完整图谱。3I/ATLAS 的二氧化碳彗发，无疑是这一宏伟蓝图中第一个清晰的坐标点，它标志着人类认知宇宙的方式从引力动力学观测，正式进入精细化的化学分析时代。在这个新时代里，每一颗星际访客都可能成为解开宇宙化学奥秘的钥匙，而 3I/ATLAS 则当之无愧地成为了开启这扇大门的先行者。
编辑：陈方
一审：李慧
二审：汤世明
三审：王超
