a cometary ices összetétele

Bevezetés

az üstökösök a Naprendszer legprimitívebb objektumai közé tartoznak. Az ices kémiai összetétele reprezentálja a szoláris köd külső régióinak molekuláris összetételét (a nap protoplanetáris korong), ahol kialakultak, 4,6 Gyr ezelőtt. Ennek a kémiai összetételnek betekintést kell nyújtania a korai Naprendszer kialakulásának és fejlődésének feltételeibe .

az egyik központi kérdés az, hogy az illékony anyagok milyen mértékben öröklődnek a szülő molekuláris felhőből, vagy hogy a kémia visszaáll-e a tipikus korongfejlődés részeként . Egy másik kérdés az, hogy a Naprendszerünk, vagy annak bármely jellemzője közös vagy furcsa. A protoplanetáris korongok molekuláris azonosítása még mindig ritka, bár a fejlődés folytatódik, amint azt a ch3cn és a CH3OH (az üstökösök ices alkotóelemei) közelmúltbeli kimutatása is bizonyítja az Atacama Large Millimeter/Submillimeter Array (ALMA) segítségével .

számos molekulát azonosítottak az üstökösök légkörében, mind a földi megfigyelések, mind az űr, beleértve az üstökösök légkörének in situ vizsgálatát. Ide tartoznak a nagy szerves molekulák, amelyeket a csillagképző régiókban is megfigyelnek. A vízben mért molekuláris abundanciák üstökösről üstökösre (pl.) erős eltéréseket mutatnak, és az üstökösök pályája mentén is változnak (pl. ). Ez a kémiai sokféleség tükrözheti a primitív napköd eltérő képződési körülményeit, bár kérdések merülnek fel azzal kapcsolatban, hogy az üstökös atmoszférában mért bőség milyen mértékben reprezentálja a mag ices primitív összetételét.

ez a cikk rövid áttekintést nyújt az üstökösök atmoszférájában mért molekuláris abundanciákról távérzékelési spektroszkópiai megfigyelésekből. Frissíti a bockel által közzétett részletes áttekintéseket! – Morvan et al. , Mumma & Charnley és Cochran et al. . A spektroszkópiai vizsgálatok 27 molekuláról szolgáltattak információt, nem számítva a gyököket és az izotópokat. A Rosetta fedélzetén lévő ROSINA tömegspektrométerrel végzett mérések rengeteg új molekuláris azonosítást eredményeztek a 67P/Churyumov–Gerasimenko üstökös légkörében (a Rosetta cometary zoo, 1.ábra), amelyeket néhány kivételtől eltekintve még nem tettek közzé. A közzétett eredmények az N2 , O2 , glicin , CS2, S3, S4, CH3SH és C2H6 ROSINA detektálásai .

az üstökös molekulák spektroszkópiai vizsgálata

az üstökös nukleáris ices összetételére vonatkozó jelenlegi ismereteink alapvetően a kóma vizsgálatán alapulnak. Az ices közvetlen vizsgálata a mag felszínén csak űrhajóról lehetséges. Az üstökösfelületek közeli infravörös spektruma a vízjég , a CO2 jég és a COOH kémiai csoportot tartalmazó félig illékony szerves anyag spektrális jeleit tárta fel .

valamivel több mint két tucat molekulát (az izotópokat, molekuláris ionokat, atomokat és gyököket nem számítva) azonosítottak az üstökösök légkörében spektroszkópiai megfigyelések alapján (2.ábra). Ezeket az azonosításokat rádió (20-600 GHz) és közeli infravörös spektroszkópiával, és kisebb mértékben ultraibolya spektroszkópiával (lásd a legtöbb spektroszkópiai azonosítás részleteit ). A legtöbb azonosítást a C/1995 O1 (Hale-Bopp) és a C/1996 B2 (Hyakutake) rendkívül fényes üstökösök megfigyelései révén nyerték. A legújabb felfedezések a glikolaldehid (CH2OHCHO) és az etanol (C2H5OH), amelyeket a C/2014 Q2 (Lovejoy) üstökösben azonosítottak a milliméteres tartományban . Bár a legtöbb molekula milliméteres hullámhosszon figyelhető meg, az infravörös tartomány hozzáférést biztosít a dipólusmomentum nélküli molekulákhoz, mint például a CO2, a CH4 és más szimmetrikus szénhidrogének. Az ultraibolya és a látható hullámhossztartományban végzett megfigyelések olyan gyökök, atomok és ionok mintajelzései, amelyek fotolízissel és a nukleáris ices-ből felszabaduló anyamolekulák kémiai termékeivel járnak. Az UV spektrumok lehetővé tették az S2 azonosítását, és erős Co aláírást mutattak. Az 1.táblázat felsorolja az üstökösökben azonosított 28 molekulát (a H2O kivételével), valamint a vízhez viszonyított mért abundancia tartományát (lásd a 2. ábrát azon üstökösök számáról, amelyekben az egyes molekulákat kimutatták). A hullámhossz-doméneket, ahol a molekuláris aláírások megfigyelhetők,az 1. táblázat mutatja. Ez a lista tartalmazza a CS, SO és NS, amelyek valójában radikálisok. A CS és így a CS2, illetve az SO2 fotodisszociációs termékei. A ROSINA adataiból azonban a so közvetlen kibocsátása a nukleáris ices-ből javasolt . Az NS radikális eredete ismeretlen .

molekuláris abundanciák és összetételi sokféleség

az üstökösök légkörének összetételéből az üstökösök nukleáris ices fő alkotóelemei a víz (szám szerint kb. 80%), ezt követi a CO2, CO, CH3OH, CH4, H2S és NH3 (2.ábra). A CO2-bőség vizsgálata 17 üstökösben az AKARI űrteleszkóp segítségével azt mutatja, hogy a CO2 a legtöbb üstökösben uralja a CO-t . A spektroszkópiával kimutatott üstökös anyamolekulák mennyisége a vízhez viszonyítva 0,01% – tól 20% – ig terjed, és általában a komplexitás növekedésével csökken, kivéve a szénhidrogéneket (1.táblázat). Egyes fajok, amint azt megfigyelési szempontból kimutatták a HNC és a H2CO esetében, elosztott gázforrásokból (pl. szemcsék) állíthatók elő; lásd Cochran et al. .

a molekulától függően az abundanciák körülbelül három-100-szorosára változnak (CO esetében) az üstökösök között (1.táblázat és 2. ábra). A 3. ábra a rádiómegfigyelésekből levezetett abundanciák hisztogramjait mutatja, figyelembe véve az üstökösök dinamikus osztályait. A minta 46 üstököst tartalmaz, amelyeket 2015-ig figyeltek meg, és nem publikált bőségeket tartalmaz . Kémiai sokféleség figyelhető meg mind az Oort-felhőből (OCCs) származó hosszú periódusú üstökösöknél, mind a transz-neptuniai szétszórt korong által szállított Jupiter-családú üstökösöknél (JFC-K) (3.ábra). A 3. ábra azt mutatja, hogy amikor az üstökösök mintája nagyobb lesz, az abundanciák eloszlása megközelíti a Gauss-eloszlást anélkül, hogy az üstökösöket dinamikus eredetük szerint csoportosítanák. Hasonlóképpen, nincs bizonyíték a CO2-abundancia különbségére a JFC-k és a hosszú periódusú üstökösök között . Összefoglalva, a rendelkezésre álló molekuláris abundanciaminta azt sugallja, hogy az OCC-k és a JFC-k összetétele azonos, kivéve a CO-t, amely alacsony mennyiségben van jelen az összes eddig megfigyelt JFC-ben. Ez megerősíti a kisebb mintán alapuló korábbi tanulmányokat . A kémiai sokféleség összhangban van a nice modell keretében végzett dinamikus számításokkal, ami arra utal, hogy mind az Oort-felhő, mind a szétszórt korong a Naprendszer ugyanazon régióiban kialakult üstökösökkel lakott .

azt állították, hogy az üstökösöket három összetételi osztályba lehet csoportosítani, a szerves vegyületek bőségének alapján . Azonban a G-módú és főkomponens-elemzési technikákat alkalmazó statisztikai elemzés, amelyet körülbelül egy tucat üstökös és hat, a rádióban és az infravörösben megfigyelt molekula alapján végeztünk, nem eredményezett statisztikailag szignifikáns csoportosítást. Újabban, Dello Russo et al. bemutatta a H2O keverési arányainak szisztematikus elemzését nyolc faj (CH3OH, HCN, NH3, H2CO, C2H2, C2H6, CH4 és CO) esetében, nagy felbontású infravörös spektroszkópiával mérve 30 üstökösben 1997 és 2013 között. Ez a tanulmány azt sugallja, hogy a vízhez viszonyított bőség arányok általános kimerülést mutatnak a JFC-kben a hosszú periódusú üstökösökhöz képest. Pozitív vagy mérsékelt összefüggések figyelhetők meg a fajok között. A klaszterelemzés négy csoportot és 11 alcsoportot hozott létre. A minta méretét azonban meg kell növelni, hogy megerősítse ezeket a feltörekvő kompozíciós osztályokat.

az üstökösök közötti kémiai sokféleséget először termékfajok spektroszkópiai és spektrofotometriás megfigyelései bizonyították (lásd a felülvizsgálatot ). A termékfajok sokkal könnyebben megfigyelhetők, mint az anyamolekulák, így nagyszámú üstökös bőség-mérését sikerült elérni. Egy tanulmány a gyökök (OH, CN, C2, C3, NH) 85 üstökösök, A ‘ Hearn et al. az üstökösök C2 és C3 bőségétől függően két osztályba sorolhatók: tipikus üstökösök és szén-dioxid-mentes üstökösök. Azt találták, hogy a JFC-k körülbelül fele C2 és C3 kimerült, de a szén-dioxid-kimerült OCC-k aránya kisebb. Egy újabb tanulmányban, Cochran et al. megállapították, hogy a kimerült üstökösök kétharmada JFC volt, míg egyharmada hosszú időszak volt. Ezenkívül a JFC-k nagyobb százaléka (37%) kimerült, mint a hosszú periódusú üstökösöké (18,5%). Az azonos módon megfigyelt és előállított 107 üstökösből álló minta alapján Schleicher & Bair hét üstökösosztályt talált, amelyek különböznek a CN, C2 és C3 termelési arányokban az OH-hoz képest.

Vita

alapvető kérdés, hogy az üstökösök atmoszférájának összetételében megfigyelt sokféleség evolúciós folyamatokból származik-e, vagy reprezentatív-e az üstökösmagok különböző képződési körülményeire. Több szempontot is figyelembe kell venni:

• — az üstökösök mennyisége megfelel a teljes termelési sebesség arányának, referenciaként a vizet veszik figyelembe. Megfigyelési bizonyítékok vannak arra, hogy (majdnem) tiszta jeges szemcsék szabadulnak fel az üstökösmagból, és hozzájárulhatnak a vízgőz képződéséhez. A legjobb példa erre a 103p/Hartley 2 üstökös, amelyet az EPOXI misszió vizsgált. A napsütötte oldalukon szublimáló jeges részecskék darabjait számos képen látták, és mikrométeres tiszta jégszemcsék infravörös jégjeleit észlelték . A szokatlan OH kóma morfológia a jeges szemcsékből származó víztermeléssel magyarázható . Egy másik példa a C / 2009 P1 üstökös (Garradd). A kis (infravörös) és nagy (rádió) látómezővel végzett megfigyelésekből származó víztermelési arányok következetlen értékei (4 .ábra) összeegyeztethetők a szublimáló jeges szemcsék jelenlétével. Ez a folyamat hozzájárulhat az üstökösök bőségében megfigyelt diszperzióhoz.

• — a teljes termelési arány aránya eltér a helyi termelési aránytól. A gáztermelés napi ingadozásokon megy keresztül a mag forgása során, amelyek molekulafüggőek. Ezenkívül lehetséges a mag kompozíciós heterogenitása. Illusztrációként a 67P belső kómájának H2O és CO2 térképeit a VIRTIS műszerrel a Rosetta–n 1,8-2-nél szerezték meg.A 2 AU pre-perihelion erős dichotómiát mutat a H2O és a CO2 Eloszlás között (5 .ábra), a H2O lényegében a megvilágított Egyenlítői és északi régiókból szublimál, a CO2 pedig a gyengén megvilágított déli féltekéről. Amint azt Fink et al. , az ezekből a térképekből származó CO2/H2O teljes termelési arány rossz diagnosztikai eszköz a helyi termeléshez. Hasonló különbségeket figyeltek meg a H2o és a CO2 eloszlásban a 9P/Tempel 1 esetében . A 67P esetében ezek a megvilágítási körülmények közötti erős különbségekből származnak, amelyeket a két félgömb az üstökös pályája mentén tapasztal, a centrifugálási tengely erős ferdesége miatt. A perihelionnál a H2o és a CO2 eloszlása hasonlónak bizonyult, mindkét molekula lényegében a megvilágított déli féltekéről távozik .

• — a molekuláris abundanciákat üstökös atmoszférában mérik. Számos elméleti tanulmány tárgyát képezte, hogy mennyire reprezentálják a mag összetételét. Bár az üstökösmagok nagyon alacsony termikus tehetetlenséget mutatnak, a Jégösszetétel rétegződése várható a felszín alatt a napsugárzás után, az illékonyabb Fajok mélyebb rétegekben laknak. Az üstökösmagok hőfejlődését és gázkibocsátását vizsgáló modellek azt mutatják, hogy az üstökösmolekulák gázkibocsátási profilja számos tényezőtől függ, mint például a molekula volatilitása, a mag anyagának termikus tehetetlensége, a vízjég szerkezetének jellege, a porozitás és a porköpeny . A forma, az orbitális jellemzők és a forgástengely ferdeségével kapcsolatos szezonális hatások szintén fontosak . A 6. ábra, a Marboeuf & Schmitt-től, bemutatja a termelési sebesség arányok és az üstökösmagban lévő abundanciák közötti kapcsolatot az üstökös jégek állapotáról és az illékony anyagok csapdába eséséről, valamint a különböző köpenyvastagságokról. A kevésbé illékony molekulák, például a CO2 esetében a kóma fajainak relatív (A H2O-hoz viszonyított) abundanciája csak a perihéliumjárat körül (a heliocentrikus távolság kevesebb, mint 2-3 AU) hasonló marad, függetlenül a vízjég szerkezetétől és a kémiai összetételtől, feltéve, hogy a magot nem fedi le teljesen porköpeny. Az erősen illékony molekulák, például a CO és a CH4 relatív abundanciája a kómában megközelítőleg megegyezik a primitív magösszetétellel, csak a klatrát-hidrátok által dominált magok esetében. A perihelion körül a kristályos és amorf vízjégszerkezetek esetében a mag által felszabaduló erősen illékony Fajok mennyisége szisztematikusan alacsonyabb (akár egy nagyságrenddel), mint a feldolgozatlan magértékek. Nem csak a porköpeny, hanem a porerózió is olyan folyamatok, amelyek erősen befolyásolhatják a termelési arányokat. A perihelion közelében fontos lehet A porköpeny felületi ablációja, amely közelebb hozza a molekuláris Fajok szublimációs interfészeit a felszínhez, és növeli termelési sebességüket és a kóma keverési arányát a vízhez képest . Ez a folyamat a CO2, CH4 és OCS oszlopsűrűség arányának erőteljes növekedését magyarázza, amelyet a Rosetta-ból származó 67P-ben figyeltek meg néhány nappal a perihelion után .

• — néhány megfigyelési tény érvelhet a primitív sokféleség mellett. Comet 73P/ Schwassmann-Wachmann 3, egy üstökös a szénlánc-kimerült osztály, hasító eseményeken ment keresztül. Ha a kimerülés csak evolúciós hatás volt, több perihelion átjáróból, akkor azt várnánk, hogy leginkább a felszínre korlátozódik, és a belső tér tipikusnak tűnik. Megfigyelték azonban, hogy a fragmensek kimerülése megegyezik a hasítás előtt mért kimerülésekkel . Ezenkívül a két fő fragmentumban ugyanazokat a relatív abundanciákat mértük az infravörös és a rádió által megfigyelt több faj esetében . Egy másik szempont, amely az eredettel kapcsolatos sokféleség mellett érvel, a rövid és hosszú periódusú üstökösök hasonló átlagos összetétele és összetételbeli sokfélesége, még az olyan erősen illékony fajok esetében is, mint a H2S (kivétel a CO, amelynek magas abundanciáját csak hosszú periódusú üstökösökben mérték). Ebből a szempontból arra számíthatunk, hogy a rövid periódusú üstökösöket jobban érintik az evolúciós hatások.

következtetés

a rádió-és infravörös műszerek, valamint a fényes üstökösök megjelenése lehetővé tette számos molekula azonosítását az üstökösök légkörében, szoros kapcsolatot mutatva az üstökösök illékony anyagai és a csillagképző régiókban jelenlévő molekulák között. Az azonosított üstökösmolekulák listája most gyorsan növekszik a Rosetta küldetés miatt. A csillagközi komplex szerves vegyületek jelenléte az üstökösökben azt mutatja, hogy tartósított anyagból készülnek, amelyet a nap-köd külső régióiban vagy a Naprendszer kialakulásának korábbi szakaszaiban szintetizálnak.

az üstökös atmoszférák összetételében erős sokféleség figyelhető meg. A CO kivételével az üstökösök két dinamikus osztálya (JFC-k és OCC-k) ugyanazt a kémiai sokféleséget mutatják az anyamolekulák tekintetében. Még nem tisztázott, hogy a megfigyelt sokféleség csak evolúciós folyamatokból származik-e, vagy reprezentatív (legalábbis részben) az üstökösmagok különböző képződési körülményeire. Arra számítunk, hogy a Rosetta misszió segít megtalálni a választ erre az alapvető kérdésre.

szerzői hozzájárulások

D. B.-M. részt vett az adatok értelmezésében és írta a cikket. N. B. elvégezte a rádiómegfigyelési adatokat és azok elemzését, számadatokat szolgáltatott, és felülvizsgálta a cikket. Mindkét szerző végleges jóváhagyást adott a közzétételhez.

versengő érdekek

kijelentjük, hogy nincs versengő érdekünk.

finanszírozás

nem kaptunk finanszírozást ehhez a tanulmányhoz.

lábjegyzetek

egy hozzájárulás 14 a vita találkozó kérdés ‘Cometary science after Rosetta’.