Komety to pozostałości po formowaniu się Układu Słonecznego. Są więc najbardziej pierwotnym materiałem dostępnym do badań w naukach planetarnych, kluczowym w wyjaśnieniu m.in. takich problemów jak pochodzenie wody na Ziemi i ewolucja naszego układu planetarnego. Oszacowanie stosunku izotopowego deuteru do wodoru (D/H) w wodzie sublimującej z jąder komet stanowi chemiczny “znak pocztowy” regionu, w którym powstał badany lód wodny. Porównując te wartości z deuteryzacją wody w ziemskich oceanach (D/H= 1,5576×10−4 , Vienna Standard Mean Ocean Water – VSMOW), zyskujemy wgląd w przeszłość naszej planety. Niestety, ze względu na obiektywne trudności badawcze, problem wciąż pozostaje otwarty pomimo około 4 dekad prób. Ze względu na trudności w zmierzeniu linii widmowych wody zdeuteryzowanej, stosunek D/H uzyskano do tej pory tylko dla 12 komet, spośród których obserwacje naziemne były możliwe dla najjaśniejszych obiektów (widocznych gołym okiem). I tylko dla dwóch z nich stosunek D/H jest znany z bezpośrednich pomiarów produktów fotodysocjacji tzw. ciężkiej wody (HDO). Pomimo wykorzystania najpotężniejszych dostępnych instrumentów, w wielu przypadkach pomiary te nie są wolne od niespójności lub znaczących błędów.
Rysunek 1 podsumowuje dotychczasowe postępy w badaniu zawartości deuteru w wodzie kometarnej. Wysiłki te zostały zapoczątkowane przez europejską sondę kosmiczną Giotto, której celem była kometa Halleya w czasie jej ostatniego powrotu. Misja kosmiczna została wyposażona w dwa instrumenty zdolne do oszacowania stosunku D/H w dwóch niezależnych reżimach za pomocą Ion Mass Spectrometer (IMS) i Neutral Mass Spectrometer (NMS). Początkowo uznano, że oba pomiary dają zbieżny stosunek D/H ∼3×10−4, jednak w 2012, po ponownym przeanalizowaniu danych, wartość D/H uzyskaną za pomocą NMS skorygowano na 2,1×10−4, wprawdzie bliższą tej z ziemskich oceanów, jednak niemieszczącą się w granicach błędów z niezależnym pomiarem z IMS.
Później w XX wieku pojawiły się dwie rzadkie okazje do obserwacji niezwykle jasnych komet, C/1996 B2 (Hyakutake) i C/1995 O1 (Hale-Bopp), umożliwiając pierwsze pomiary kometarnego HDO z urządzeń na Ziemi. Z linii 464,925 GHz obserwowanej przez Caltech Submillimeter Observatory i James Clerk Maxwell Telescope (JCMT) uzyskano kolejne dwie wartości D/H, pozostające w zgodzie z oryginalnymi wartościami z sondy Giotto.
W przypadku dwóch innych komet: C/2002 T7 (LINEAR) i C/2001 Q4 (NEAT), podjęto próbę uzyskania stosunku D/H poprzez obserwację produktów fotodysocjacji wody. W tym podejściu D/H określa się na podstawie tempa produkcji OH i OD oraz H i D. Na długości fali 310 nm zmierzono pasma OH za pomocą VLT UVES w komecie z Obłoku Oorta C/2002 T7 (LINEAR). Co prawda nie wykryto żadnej pojedynczej linii OD, ale marginalna detekcja 3σ OD została uzyskana poprzez dodanie wkładów najjaśniejszych linii, co dało wartość OD/OH (2.5±0.7)×10−4. W 2004 roku za pomocą Kosmicznego Teleskopu Hubble’a stosunek D/H został zmierzony bezpośrednio za pomocą emisji atomowego deuteru i atomowego protu w linii Lyman-α z komety C/2001 Q4 (NEAT), przy użyciu spektrografu Space Telescope Imaging Spectrograph. W 2008 r. zmierzono rekordowy w tamtym czasie stosunek D/H w komecie (4,6±1,4)×10−4. Kolejna stosunkowo duża deuteryzacja, ale zgodna z poprzednimi wartościami, została uzyskana dla okresowej komety 8P/Tuttle, która prawdopodobnie w przeszłości należała do Obłoku Oorta. Uzyskano D/H=(4.09±1.45)×10−4 z przejść HDO na linii 3.7 μm, używając spektrografu CRIRES (Cryogenic Infrared Echelle Spectrograph) na VLT.
Wyznaczenie D/H w komecie rodziny Jowisza 103P/Hartley 2 dało wynik bliski wodzie z ziemskich oceanów: 1.61×10−4 (Hartogh et al. 2011), uzyskany dzięki przejściu HDO przy 509.292 GHz przy użyciu Heterodyne Instrument for the Far-Infrared (HIFI) na pokładzie obserwatorium kosmicznego ESA Herschel. Podobne pomiary zostały uzyskane w przypadku komety Obłoku Oorta C/2009 P1 (Garradd) przez Bockelée-Morvan et al. 2012, co dało wynik D/H=2.06×10−4. Użycie tego samego instrumentu potwierdza znaczącą różnicę w składzie izotopowym wody w komecie z Obłoku Oorta i w obiekcie z Pasa Kuipera (chociaż 103P jest obecnie kometą krótkookresową, uważa się, że pochodzi z populacji komet powstałych w Pasie Kuipera). Ponadto należy wspomnieć, że detekcje Herschela wymagają porównania emisji deuterowanej wody i rzadkiego wariantu izotopowego wody, H218O, aby uniknąć problemów generowanych przez dużą grubość optyczną głównego izotopologu wody (dlatego należało przyjąć stosunek H218O/H2O).
Po wycofaniu Herschela w 2013 roku, dostępne instrumenty ograniczyły okno detekcji kometarnego deuteru tylko do najbardziej aktywnych komet. Paganini et al. (2017) i Biver et al. (2016) dostarczyli dwa niezależne naziemne pomiary D/H w komecie C/2014 Q2 (Lovejoy), oddzielone nie tylko przedziałem czasowym obserwacji, ale także podejściem naukowym. Pomiary Paganiniego polegają na wykrywaniu HDO jednocześnie z wodą na długościach fal IR w 10-metrowym obserwatorium W. M. Keck Observatory (Keck II). Z kolei Biver wykorzystał obserwacje radiowe/sub-mm linii HDO na 241,561 GHz z 30-metrowego radioteleskopu IRAM i dwóch izotopologów wody: linii H216O na 556,936 GHz i linii H218O na 547,676 GHz przez 1,1-metrowego satelitę submilimetrowego Odin, uzyskane tydzień później, ponieważ IRAM nie może wykryć H2O. Oba wyniki zgadzają się tylko na poziomie 2σ, co jest kwestią o dużych konsekwencjach, chociaż post-peryhelium D/H z Kecka jest prawie 2 razy większe niż wartość ziemskiego oceanu (1,94±0,56 VSMOW), podczas gdy pomiary radiowe wskazywały, że powinno być zgodne z ziemską wodą (0,89±0,25 VSMOW). Aby uzupełnić ten obraz, w tej samej pracy Biver et al. (2016) odnotowali pomiar D/H w kolejnej komecie z chmury Oorta C/2012 F6 (Lemmon), przekraczający ponad 4 VSMOW, czyli (6,5±1,6)×10−4 – najwyższą wartość, jaką kiedykolwiek zarejestrowano, mimo że detekcja HDO była na marginalnym poziomie 4σ. Okazało się, że jest to duży kontrast w stosunku do C/2014 Q2 (Lovejoy), chociaż oba obiekty powinny mieć podobne pochodzenie i były badane przy użyciu tych samych instrumentów i podobnych metod. Jak omówili Paganini et al. (2017), na stosunek D/H mógł mieć silny wpływ systematyczny błąd, ponieważ zastosowano różne konfiguracje eksperymentalne, a użycie dwóch teleskopów o różnych rozmiarach wiązki przez Biver et al. (2016), wraz z porównaniem obserwacji z różnych dni, może stanowić możliwe wyjaśnienie różnych szacunków D/H w tej komecie, ponieważ fizyczna zmienność izotopowa wydaje się mało prawdopodobna ze względu na wyniki misji Rosetta (Müller et al. 2022).
Bliskie pojawienie się w 2018 roku innej komety z rodziny Jowisza 46P/Wirtanen dało możliwość wykorzystania SOFIA do detekcji przejść H218O i HDO na częstotliwościach 547 i 509 GHz, choć wymagało to założeń podobnych do tych z Herschela. Uzyskane D/H=(1.61±0.65)×10−4 wykazuje podobieństwo do VSMOW i doprowadziło Lis et al. (2019) do wniosku o możliwej korelacji między frakcją obszaru aktywnego jądra kometarnego a strukturą izotopową ich pary wodnej. Inne naziemne próby ilościowego określenia deuterowanej wody w kometach zakończyły się niewykryciem, np. 153P/Ikeya-Zhang, C/2007 N3 (Lulin), D/2012 S1 (ISON) i 45P/Honda-Mrkos-Pajduskova (Biver et al. 2006; Gibb et al. 2012, 2016; Lis et al. 2013), gdzie określono limity D/H.
Do tej pory najdokładniejsze pomiary obfitości izotopów kometarnych uzyskano w komecie 67P/Churyumov-Gerasimenko, przy użyciu spektrometru masowego z podwójnym ogniskowaniem (DFMS) na pokładzie sondy kosmicznej Rosetta (Müller et al. 2022). Oprócz opartego na wodzie D/H=(5,01±0,41)×10−4, dało to szersze możliwości pomiaru deuteracji kilku innych cząsteczek, w tym liniowych alkanów (metanu, etanu, propanu, butanu) i metanolu, ale także wcześniej H2S i NH3 (Altwegg i in. 2017, 2019). Do tego czasu większość poszukiwań stosunku D/H z deuterowanych gatunków innych niż woda zakończyła się oszacowaniem górnych limitów (Bockelée-Morvan i in., 2015), jak pokazano na RYS. 2. Jedyny wyjątkowy przypadek wykrycia DCN w C/1995 O1 (Hale-Bopp) z obserwacji IRAM został opisany przez Crovisier et al. 2004.