[论文解读] Evidence of ammonium salts in comet 67P as explanation for the nitrogen depletion in cometary comae

K. Altwegg, H. Balsiger+15 more|arXiv (Cornell University)|Nov 29, 2019

Astro and Planetary Science参考文献 36被引用 4

一句话总结

本研究通过罗塞塔探测器上的ROSINA仪器首次直接探测到彗星67P/Churyumov-Gerasimenko中的铵盐，解释了彗发中氮元素长期存在的匮乏之谜。这些盐类由氨与HCN和HCOOH等酸性物质反应形成，其升华温度高于水冰，导致氮的释放延迟，从而在看似缺乏挥发性氮的条件下，实际氮以固态形式存在。

ABSTRACT

Cometary comae are generally depleted in nitrogen. The main carriers for volatile nitrogen in comets are NH3 and HCN. It is known that ammonia readily combines with many acids like e.g. HCN, HNCO, HCOOH, etc. encountered in the interstellar medium as well as in cometary ice to form ammonium salts (NH4+X-) at low temperatures. Ammonium salts, which can play a significant role in prebiotic chemistry, are hard to detect in space as they are unstable in the gas phase and their infrared signature is often hidden by thermal radiation or by e.g. OH in minerals. Here we report the presence of all possible sublimation products of five different ammonium salts at comet 67P/Churyumov-Gerasimenko measured by the ROSINA instrument on Rosetta. The relatively high sublimation temperatures of the salts leads to an apparent lack of volatile nitrogen in the coma. This then also explains the observed trend of higher NH3/H2O ratios with decreasing perihelion distances in comets.

研究动机与目标

• 解决长期以来彗发中氮元素匮乏的谜题，尽管已知存在氨和HCN。
• 识别并表征彗星冰中可能解释观测到的低挥发性氮丰度的含氮化合物。
• 研究在寒冷星际和彗星环境中由氨与酸性物质反应形成的铵盐，是否可作为缺失的氮储存库。
• 将观测到的NH3/H2O比值随近日点距离的变化趋势与铵盐的热稳定性联系起来。
• 利用质谱法提供彗星环境中铵盐存在的直接原位证据。

提出的方法

• 分析罗塞塔任务在接近彗星67P期间，搭载于罗塞塔探测器上的ROSINA仪器获取的原位质谱数据。
• 通过检测特征碎片离子和同位素模式，识别铵盐的升华产物。
• 将测得的离子丰度与候选铵盐（如NH4HCOO、NH4CNO、NH4CN、NH4Cl、NH4NO3）的实验室热脱附谱进行比较。
• 利用温度依赖的升华模型，推断所检测盐类的热稳定性和释放行为。
• 将盐类丰度与太阳系距离及近日点经过情况相关联，评估热演化的影响。
• 应用同位素约束（如15N/14N比值）以验证所检测物种的起源与稳定性。

实验结果

研究问题

• RQ1 铵盐是否在彗星冰中形成并持续存在于核中，从而解释彗发中表观的氮缺乏？
• RQ2 彗星67P中存在哪些特定的铵盐？它们的升华温度如何影响氮的释放时间？
• RQ3 观测到的NH3/H2O丰度比随近日点距离的变化趋势如何？这一趋势是否可由铵盐的热稳定性解释？
• RQ4 为何铵盐在太空中难以探测？其何种特征信号使其在气相不稳定的情况下仍可被识别？
• RQ5 铵盐的存在能否调和预测与观测到的彗星中挥发性氮丰度之间的差异？

主要发现

• ROSINA在彗星67P的彗发中探测到五种不同铵盐（NH4HCOO、NH4CNO、NH4CN、NH4Cl和NH4NO3）的升华产物。
• 这些盐的存在解释了彗发中表观的氮匮乏现象，因为它们的升华温度高于水冰。
• 测得的升华产物表明，铵盐在彗星核中稳定存在，仅在更高的日心距离处释放氮。
• 观测到的NH3/H2O比值随近日点距离减小而增加的趋势，与这些盐的热脱附行为一致。
• 铵盐很可能是彗星冰中氮的主要储存库，解决了长期存在的氮丰度差异问题。
• 该探测结果证实，铵盐可在彗星冰中存活，并在前生命化学过程中发挥关键作用。