sammensætningen af kometiske ices

introduktion

kometer er blandt de mest primitive objekter i solsystemet. Den kemiske sammensætning af deres ices er repræsentativ for den molekylære sammensætning af de ydre områder af soltågen (solprotoplanetærskiven), hvor de dannede sig for 4,6 Gyr siden. Denne kemiske sammensætning skal give indsigt i betingelserne for dannelse og udvikling af det tidlige solsystem .

et centralt spørgsmål er, i hvilken grad flygtige stoffer arves fra den overordnede molekylære sky, eller om kemien nulstilles som en del af typisk diskudvikling . Et andet spørgsmål er, om vores solsystem eller nogen af dets egenskaber er almindeligt eller en underlighed. Molekylære identifikationer i protoplanetære diske er stadig sparsomme, selvom fremskridt fortsætter, som demonstreret ved den nylige påvisning af CH3CN og CH3OH (også bestanddele af kometære ices) ved hjælp af Atacama Large Millimeter/Submillimeter Array (ALMA) .

et stort antal molekyler er blevet identificeret i kometiske atmosfærer, fra både jordbaserede observationer og rum, herunder in situ undersøgelser af kometiske atmosfærer. Dette inkluderer store organiske molekyler, som også observeres i stjernedannende regioner. Molekylære overflader i forhold til vand målt i koma viser stærke variationer fra komet til komet (f.eks.) og varierer også langs kometernes baner (f. eks.). Denne kemiske mangfoldighed kan afspejle forskellige dannelsesbetingelser i den primitive soltåge, selvom der opstår spørgsmål om, i hvilket omfang overflod målt i kometariske atmosfærer er repræsentative for den primitive sammensætning af nucleus ices.

dette papir præsenterer en kort gennemgang af molekylære overflader målt i kometære atmosfærer fra fjernfølende spektroskopiske observationer. Den opdaterer de detaljerede anmeldelser udgivet af Bockel Kriste-Morvan et al. , Mumma & Charnley og Cochran et al. . Spektroskopiske undersøgelser har givet information om 27 molekyler, der ikke tæller radikaler og isotopologer. Målinger med ROSINA massespektrometer ombord Rosetta resulterede i et væld af nye molekylære identifikationer i atmosfæren af kometen 67P/Churyumov–Gerasimenko (Rosetta cometary dyreparken, figur 1), som med nogle få undtagelser endnu ikke er offentliggjort. Offentliggjorte resultater er ROSINA-detektionerne af N2 , O2 , glycin, CS2, S3, S4, CH3SH og C2H6S .

spektroskopiske undersøgelser af kometære molekyler

vores nuværende viden om sammensætningen af kometære nukleare ices er i det væsentlige baseret på undersøgelser af koma. Direkte undersøgelser af ices på kerneoverfladen er kun mulige fra et rumfartøj. Nærinfrarøde spektre af kometiske overflader afslørede spektrale signaturer af vandis, CO2-is og af et semi-flygtigt organisk materiale indeholdende COOH-kemisk gruppe .

lidt mere end to dusin molekyler (ikke inklusive isotopologer, molekylære ioner, atomer og radikaler) er blevet identificeret i kometære atmosfærer fra spektroskopiske observationer (figur 2). Disse identifikationer blev opnået gennem radio (20-600 GTS) og nær-infrarød spektroskopi, og i mindre grad ved hjælp af ultraviolet spektroskopi (se detaljerne i de fleste spektroskopiske identifikationer i). De fleste identifikationer blev opnået gennem observationer af de usædvanligt lyse kometer C/1995 O1 (Hale-Bopp) og C/1996 B2 (Hyakutake). De seneste opdagelser er glycolaldehyd (CH2OHCHO) og ethanol (C2H5OH), identificeret i kometen C/2014 2 .kvartal (Lovejoy) fra linjer i millimeterområdet. Selvom de fleste molekyler observeres ved millimeterbølgelængder, giver det infrarøde domæne adgang til molekyler uden dipolmoment, såsom CO2, CH4 og andre symmetriske carbonhydrider. Observationer i det ultraviolette og synlige bølgelængdeområde prøvesignaturer af radikaler, atomer og ioner, der er fotolyse og kemiske produkter fra modermolekyler frigivet fra de nukleare is ‘ er. UV-spektre tillod identifikation af S2 og viser stærke signaturer af CO. Tabel 1 indeholder en liste over 28 molekyler (bortset fra H2O) identificeret i kometer og rækkevidden af målte mængder i forhold til vand (se figur 2 for antallet af kometer, hvor hvert molekyle er blevet detekteret). Bølgelængdedomænerne, hvor molekylære signaturer observeres, er angivet i tabel 1. Denne liste omfatter CS, SO og NS, som faktisk er radikaler. CS og så er foto-dissociation produkter af CS2 og SO2, henholdsvis. Imidlertid foreslås direkte frigivelse af SO fra de nukleare ices fra ROSINA-dataene . Oprindelsen af NS-radikalen er ukendt .

Molekylær overflod og sammensætning mangfoldighed

fra sammensætningen af kometiske atmosfærer er hovedkomponenterne i kometiske nukleare ices vand (ca.80% efter antal) efterfulgt af CO2, CO, CH3OH, CH4, H2S og NH3 (figur 2). En undersøgelse af CO2-Overfloden i 17 kometer ved hjælp af AKARI-rumteleskopet viser, at CO2 dominerer over CO i de fleste kometer . Overflod af kometære modermolekyler detekteret ved spektroskopi varierer fra mindre end 0,01% til 20% i forhold til vand og falder generelt med stigende kompleksitet undtagen kulbrinter (tabel 1). Nogle arter , som observationelt demonstreret for HNC og H2CO, kan produceres af distribuerede kilder til gasser (f.eks. korn); se den nylige gennemgang af Cochran et al. .

afhængigt af molekylet varierer overflodene med en faktor på ca.tre til 100 (for CO) blandt kometer (tabel 1 og figur 2). Figur 3 viser histogrammer af overflod udledt af radioobservationer i betragtning af de dynamiske klasser af kometer. Prøven inkluderer 46 kometer observeret indtil 2015 og indeholder upublicerede overflader . Kemisk mangfoldighed observeres både for langvarige kometer, der stammer fra Oort cloud (OCCs) og for Jupiter-familie kometer (JFC ‘ er) leveret af den trans-neptunske spredte skive (figur 3). Figur 3 viser, at når prøven af kometer bliver større, nærmer fordelingen af overflod sig en Gaussisk fordeling uden gruppering af kometer efter deres dynamiske Oprindelse. Tilsvarende ses der ingen beviser for en forskel i CO2-overflod mellem JFC ‘ er og langvarige kometer . Sammenfattende antyder den tilgængelige prøve af molekylære overflader, at OCC ‘er og JFC’ er har den samme sammensætningsfordeling, undtagen hvad angår CO, som er til stede i lav overflod i alle JFC ‘ er, der hidtil er observeret. Dette bekræfter tidligere undersøgelser baseret på en mindre prøve . Kemisk mangfoldighed er i overensstemmelse med dynamiske beregninger inden for rammerne af Nice-modellen, hvilket antyder, at både Oort-skyen og den spredte skive var befolket med kometer dannet i de samme regioner i solsystemet .

det er blevet hævdet, at kometer kunne grupperes i tre kompositionsklasser baseret på overflod af organiske forbindelser . En statistisk analyse ved hjælp af G-mode og hovedkomponentanalyseteknikker udført af os selv baseret på omkring et dusin kometer og seks molekyler observeret i radioen og i infrarød gav imidlertid ikke en statistisk signifikant gruppering. For nylig, Dello Russo et al. præsenteret en systematisk analyse af blandingsforholdene med hensyn til H2O for otte arter (CH3OH, HCN, NH3, H2CO, C2H2, C2H6, CH4 og CO) målt med infrarød spektroskopi med høj opløsning i 30 kometer mellem 1997 og 2013. Denne undersøgelse antyder, at overflodsforhold i forhold til vand udgør en samlet udtømning i JFC ‘ er sammenlignet med langvarige kometer. Positive til moderate korrelationer observeres mellem arter. En klyngeanalyse producerede fire grupper og 11 undergrupper. Imidlertid, størrelsen af prøven skal øges for at bekræfte disse nye kompositionsklasser.

kemisk mangfoldighed blandt kometer blev først demonstreret fra spektroskopiske og spektrofotometriske observationer af produktarter (se gennemgangen af ). Produktarter er meget lettere observerbare end modermolekyler, så der er opnået overflodsmålinger for et stort antal kometer. Fra en undersøgelse af radikaler (OH, CN, C2, C3, NH) i 85 kometer, a ‘ Hearn et al. udledte eksistensen af to klasser af kometer afhængigt af deres C2-og C3-overflod: ‘typiske’ kometer og ‘kulstofudtømte’ kometer. De fandt ud af, at omkring halvdelen af JFC ‘erne er C2 og C3 udtømt, men fraktionen af kulstofudtømte OCC’ er er mindre. I en nyere undersøgelse, Cochran et al. fandt, at to tredjedele af de udtømte kometer var JFC ‘ er, mens en tredjedel var lang periode. Derudover var en højere procentdel af JFC ‘ erne (37%) udtømt end af de langvarige kometer (18,5%). Baseret på en prøve på 107 kometer, der blev observeret og produceret på samme måde, fandt Schleicher & Bair syv klasser af kometer, der var forskellige i kn -, C2-og C3-produktionshastighederne i forhold til OH.

Diskussion

et grundlæggende spørgsmål er, om den observerede mangfoldighed i sammensætningen af kometiske atmosfærer skyldes evolutionære processer eller er repræsentativ for forskellige dannelsesbetingelser for kometære kerner. Flere punkter skal tages i betragtning:

• — Kometære mængder svarer til de samlede produktionshastighedsforhold, med vand taget som reference. Der er observationsbevis for, at (næsten) rene iskerner frigives fra kometenkernen og kan bidrage til vanddampproduktion. Det bedste eksempel er for comet 103P / Hartley 2, undersøgt af Epoksi-missionen. Klumper af iskolde partikler, der sublimerer på deres solrige side, er set i adskillige billeder, og de infrarøde isunderskrifter af mikrometriske rene iskorn er blevet påvist . Den usædvanlige OH coma morfologi kan forklares ved vandproduktion fra iskolde korn . Et andet eksempel er comet C / 2009 P1 (Garradd). Inkonsekvente værdier for vandproduktionshastigheder afledt af observationer med små (infrarøde) og store (radio) synsfelter (figur 4) kan forenes med tilstedeværelsen af sublimerende iskorn . Denne proces kan bidrage til dispersionen observeret i kometiske overflader.

• — de samlede produktionshastighedsforhold adskiller sig fra de lokale produktionshastighedsforhold. Gasproduktion gennemgår daglige udsving under kernerotation, som er molekylafhængige. Derudover er kernekompositionelle heterogeniteter mulige. Til illustration er H2O–og CO2-kortene over den indre koma på 67P erhvervet med VIRTIS-instrumentet på Rosetta ved 1,8-2.2 AU pre-perihelion viser en stærk dikotomi mellem H2O-og CO2-fordelingerne (figur 5), hvor H2O sublimerer i det væsentlige fra de oplyste ækvatoriale og nordlige regioner og CO2-afgasning i Mængde fra den dårligt oplyste sydlige halvkugle . Som fremhævet af Fink et al. , CO2 / H2O total produktionshastighedsforhold afledt af disse kort er et dårligt diagnostisk værktøj til lokal produktion. Tilsvarende forskelle i H2O-og CO2-fordelinger blev observeret for 9P / Tempel 1 . For 67P forstås de at være resultatet af de stærke forskelle i belysningsforhold, som de to halvkugler oplever langs kometens bane på grund af den stærke hældning af spinaksen. Ved perihelion, fordelingen af H2O og CO2 viste sig at være ens, med begge molekyler afgasning i det væsentlige fra den oplyste sydlige halvkugle .

• — molekylære overflader måles i kometære atmosfærer. I hvilket omfang de er repræsentative for kernesammensætningen har været genstand for mange teoretiske studier. Selvom kometerkerner har en meget lav termisk inerti, forventes stratificering i issammensætningen i undergrunden efter udsættelse for solen, hvor de mere flygtige arter befinder sig i dybere lag. Modeller, der undersøger den termiske udvikling og udgasning af kometerkerner, viser, at udgasseringsprofilerne for kometmolekyler afhænger af adskillige faktorer, såsom molekylets volatilitet, termisk inerti af kernematerialet, arten af vandisstruktur, porøsitet og støvmantling . Sæsonmæssige effekter relateret til form, orbitale egenskaber og spinakse skævhed er også vigtige . Figur 6 , fra Marboeuf & Schmitt, viser sammenhængen mellem produktionshastighedsforhold og overflod i kometkernen for forskellige antagelser om tilstanden af kometære is og hvordan flygtige stoffer fanges og forskellige manteltykkelser. For de mindre flygtige molekyler, såsom CO2, forbliver den relative (til H2O) overflod af arter i koma ligner den oprindelige sammensætning af kernen (relativ afvigelse mindre end 25%) kun omkring perihelionpassagen (heliocentrisk afstand mindre end 2-3 AU), uanset vandisstrukturen og den kemiske sammensætning, og forudsat at kernen ikke er fuldt dækket af en støvmantel. De relative mængder af stærkt flygtige molekyler, såsom CO og CH4 i koma, forbliver omtrent lig med den primitive kernesammensætning kun for kerner domineret af clathrathydrater. Omkring perihelion, i tilfælde af de krystallinske og amorfe vandisstrukturer, er overflodene af de meget flygtige arter frigivet af kernen systematisk lavere (med op til en størrelsesorden) end de uforarbejdede kerneværdier. Ikke kun støvmantling, men også støv erosion er processer, der stærkt kan påvirke produktionshastighedsforhold. Nær perihelion kan overfladeablation af støvmantlen blive vigtig, hvilket bevæger grænsefladerne til sublimering af molekylære arter tættere på overfladen og øger deres produktionshastighed og komablandingsforhold i forhold til vand . Denne proces foreslås at forklare den stærke stigning i kolonnetæthedsforholdet mellem CO2, CH4 og OCS observeret i 67P fra Rosetta et par dage efter perihelion .

• — et par observationsfakta kan argumentere for en primitiv mangfoldighed. Kometen 73P / Schvassmann 3, en komet i kulstofkædeudarmet klasse, gennemgik opdelingshændelser. Hvis udtømningen kun var en evolutionær effekt, fra flere perihelionpassager, ville vi forvente, at den for det meste var begrænset til overfladen, og interiøret ville virke typisk. Imidlertid blev fragmenterne observeret at have udtømninger, der var identiske med dem, der blev målt før opdeling . Derudover blev de samme relative overflader målt i de to hovedfragmenter for flere arter observeret i infrarød og radio . Et andet punkt, der argumenterer for en mangfoldighed relateret til oprindelse, er den lignende gennemsnitlige sammensætning og sammensætningsdiversitet målt for kometer i kort periode og lang periode, selv for meget flygtige arter såsom H2S (undtagelsen er CO, for hvilken der kun er målt store mængder i kometer i lang periode). Fra dette synspunkt kan vi forvente, at kometer i kort periode vil blive mere påvirket af evolutionære effekter.

konklusion

Radio-og infrarøde instrumenteringer har sammen med udseendet af lyse kometer gjort det muligt at identificere adskillige molekyler i kometiske atmosfærer, hvilket viser en tæt forbindelse mellem flygtige stoffer i kometer og dem, der er til stede i stjernedannende regioner. Listen over identificerede kometære molekyler stiger nu hurtigt på grund af Rosetta-missionen. Tilstedeværelsen af interstellarlignende komplekse organiske forbindelser i kometer viser, at de er lavet af konserveret materiale syntetiseret i de ydre områder af soltågen eller i de tidligere stadier af Solsystemdannelse.

en stærk mangfoldighed observeres i sammensætningen af kometiske atmosfærer. Bortset fra CO præsenterer de to dynamiske klasser af kometer (JFC ‘er og OCC’ er) den samme kemiske mangfoldighed for så vidt angår modermolekyler. Hvorvidt den observerede mangfoldighed kun skyldes evolutionære processer eller er repræsentativ (i det mindste delvist) af forskellige dannelsesbetingelser for kometerkerner er stadig uklart. Vi forventer, at Rosetta-missionen hjælper med at finde svaret på dette grundlæggende spørgsmål.

forfatterens bidrag

D. B.-M. deltog i fortolkningen af dataene og skrev artiklen. NB udførte radioobservationsdata og deres analyse, leverede tal og reviderede artiklen. Begge forfattere gav endelig godkendelse til offentliggørelse.

konkurrerende interesser

Vi erklærer, at vi ikke har nogen konkurrerende interesser.

finansiering

vi modtog ingen finansiering til denne undersøgelse.

fodnoter

et bidrag på 14 til et diskussionsmøde spørgsmål ‘Cometary science after Rosetta’.