the composition of cometary ices

はじめに

彗星は太陽系の最も原始的な天体の一つです。 それらの氷の化学組成は、4.6Gyr前に形成された太陽星雲（太陽原始惑星系円盤）の外側領域の分子組成を代表するものである。 この化学組成は、初期の太陽系の形成と進化の条件への洞察を提供する必要があります。

一つの中心的な質問は、揮発性物質が親分子雲から継承される程度、または化学が典型的な円盤進化の一部としてリセットされるかどうかです。 もう一つの質問は、私たちの太陽系、またはその特性のいずれかが一般的であるか、奇妙であるかどうかです。 Atacama Large Millimeter/Submillimeter Array（ALMA）を用いたCH3CNとCH3OH（彗星の氷の構成成分）の最近の検出によって実証されているように、原始惑星系円盤の分子同定はまだまばらです。

彗星大気のその場での調査を含む、地上観測と宇宙の両方から、多数の分子が彗星大気中で同定されています。 これには、星形成領域でも観察される大きな有機分子が含まれます。 コマ内で測定された水に対する分子存在量は、彗星から彗星への強い変化（例えば）を示し、彗星の軌道に沿って変化する（例えば）。 この化学的多様性は原始太陽星雲における異なる形成条件を反映している可能性があるが、彗星大気で測定された存在量が核氷の原始的な組成を表す程度について疑問が生じている。

この論文では、リモートセンシング分光観測から彗星大気中で測定された分子存在量の短いレビューを提示します。 それはBockelée-Morvan et alによって出版された詳細なレビューを更新します。 Ｍｕｍｍａ＜６ １ ７ ２＞ＣｈａｒｎｌｅｙおよびＣｏｃｈｒａｎ ｅ ｔ ａ ｌ． . 分光学的研究は、ラジカルや同位体をカウントしない、27の分子に関する情報を提供しています。 ロゼッタに搭載されたロジーナ質量分析計を用いた測定により、67P/チュリュモフ–ゲラシメンコ彗星（ロゼッタ彗星動物園、図1）の大気中で多くの新しい分子同定が行われたが、いくつかの例外を除いてまだ発表されていない。 発表された結果は、N2、O2、グリシン、CS2、S3、S4、CH3SHおよびC2H6Sのロジーナ検出である。

彗星分子の分光学的研究

彗星の核氷の組成に関する我々の現在の知識は、本質的にコマの調査に基づいている。 核表面の氷の直接調査は、宇宙船からのみ可能です。 彗星表面の近赤外スペクトルは、水氷、CO2氷、およびCOOH化学群を含む半揮発性有機材料のスペクトル署名を明らかにした。

分光観測により、彗星の大気中で2ダース以上の分子（同位体、分子イオン、原子、ラジカルを含まない）が同定されています（図2）。 これらの同定は、無線（20-600GHz）および近赤外分光法によって得られ、より少ない程度では紫外分光法を用いて得られた（ほとんどの分光同定の詳細を参照）。 ほとんどの同定は、非常に明るい彗星C/1995O1(Hale-Bopp)とC/1996B2(Hyakutake)の観測によって得られた。 最近発見されたのはグリコールアルデヒド(CH2OH CHO)とエタノール(C2H5OH)であり、c/2014Q2(Lovejoy)彗星でミリメートルの範囲の線から同定された。 ほとんどの分子はミリメートル波長で観測されますが、赤外線ドメインは、CO2、CH4および他の対称炭化水素などの双極子モーメントのない分子にアクセ 紫外線および可視波長範囲の観察は核氷から解放される親分子の光分解そして化学製品である基、原子およびイオンの署名を見本抽出します。 UVスペクトルはS2の同定を可能にし、COの強い署名を示した。 表1は、彗星で同定された28個の分子（H2O以外）のリストと、水に対する測定された存在量の範囲を示しています（各分子が検出された彗星の数については図2を参照）。 分子シグネチャが観察される波長ドメインを表1に示す。 このリストには、実際には基数であるCS、SO、NSが含まれます。 CSおよびSOは、それぞれCS2およびSO2の光解離生成物である。 しかし，核氷からのＳＯの直接放出はロジーナデータから示唆された。 NSラジカルの起源は不明である。

分子の存在量と組成の多様性

彗星の大気の組成から、彗星の核氷の主成分は水（数で約80％）であり、続いてCO2、CO、CH3OH、CH4、H2S、NH3が続く（図2）。 あかり宇宙望遠鏡を用いた17個の彗星におけるCO2の存在量の調査では、CO2がほとんどの彗星のCOを支配していることが示されています。 分光法によって検出される彗星の親分子の存在量は、水に対して0.01％から20％未満の範囲であり、炭化水素を除いて、一般的に複雑さの増加とともに減少する（表1）。 HncおよびH2COについて観察的に実証されているように、いくつかの種は、分散したガス源（例えば、粒子）によって生成される可能性がある；Cochran et al. .

彗星の存在量は分子によって異なり、彗星の中で約3倍から100倍（COの場合）に変化します（表1と図2）。 図3は、彗星の力学的なクラスを考慮して、電波観測から推定された存在量のヒストグラムを示しています。 このサンプルには、2015年までに観測された46個の彗星が含まれており、未発表の存在量が含まれています。 化学的多様性は、オールト雲(OCCs)を起源とする長周期彗星と、海王星間の散乱円盤から供給される木星族彗星(Jfc)の両方で観測されています(図3)。 図3は、彗星のサンプルが大きくなると、存在量の分布がガウス分布に近づき、その力学的起源に応じて彗星がグループ化されないことを示しています。 同様に、JFCsと長周期彗星の間でCO2の存在量の違いについての証拠は見られません。 要約すると、分子存在量の利用可能なサンプルは、これまでに観察されたすべてのJfcに低い存在量で存在するCOを除いて、OCCsとJfcが同じ組成分布を有 これはより小さいサンプルに基づいてより早い調査を確認する。 化学的多様性は、オールト雲と散乱円盤の両方が太陽系の同じ領域で形成された彗星で構成されていたことを示唆しているNiceモデルの枠組みの力学的計算と一致している。

彗星は、有機化合物の存在量に基づいて、三つの組成クラスに分類することができると主張されている。 しかし、ラジオと赤外線で観測された約十数個の彗星と六個の分子に基づいて、Gモードと主成分分析技術を用いた統計的解析は、統計的に有意なグループ化をもたらさなかった。 最近では、Dello Russo et al. h2Oに関する混合比の体系的な分析を提示八種（CH3OH、HCN、NH3、H2CO、C2H2、C2H6、CH4とCO）30彗星の高分解能赤外分光法で測定1997年と2013年の間に。 この研究は、長周期彗星と比較して、水に対する存在比がJfcの全体的な枯渇を示すことを示唆している。 種間で正から中程度の相関が観察される。 クラスター分析では、4つのグループと11のサブグループが生成されました。 しかし、これらの新たな組成クラスを確認するためには、サンプルのサイズを増やす必要があります。

彗星間の化学的多様性は、生成物種の分光観測および分光測光観測から初めて実証された（のレビューを参照）。 生成物種は親分子よりもはるかに容易に観測できるため、多数の彗星の存在量測定が得られている。 85個の彗星におけるラジカル（OH、CN、C2、C3、NH）の研究から、A’Hearn et al. C2とC3の存在量に応じて、「典型的な」彗星と「炭素枯渇した」彗星の2つのクラスの彗星の存在を推論した。 彼らは、Jfcの約半分がc2とC3が枯渇しているが、炭素が枯渇したOccの割合は小さいことを発見した。 より最近の研究では、Ｃｏｃｈｒａｎ ｅ ｔ ａ ｌ． 枯渇した彗星の三分の二がJfcであり、三分の一が長い周期であることが分かった。 さらに、長周期彗星（18.5％）よりもjfc（37％）の割合が高かった。 Schleicher&Bairは、同じ方法で観測され、生成された107個の彗星のサンプルに基づいて、OHと比較してCN、C2、C3の生成速度に異なる7つのクラスの彗星を見つ

ディスカッション

基本的な問題は、彗星大気の組成における観測された多様性が進化過程に起因するのか、彗星核の様々な形成条件を代表するのかである。 いくつかの点を考慮する必要があります:

• — 彗星の存在量は総生産速度比に対応しており、水を基準としている。 （ほぼ）純粋な氷の粒子が彗星の核から放出され、水蒸気の生成に寄与する可能性があるという観測的証拠がある。 最も良い例は、EPOXIミッションによって調査された103P/Hartley2彗星である。 それらの日当たりの良い側に昇華する氷の粒子の塊が多数の画像で見られ、微視的な純粋な氷の粒子の赤外線氷の署名が検出されている。 異常なＯ ｈコマ形態は氷粒からの水生産によって説明できる。 別の例として、彗星C/2009P1(Garradd)がある。 小さな（赤外線）視野と大きな（ラジオ）視野を持つ観測から得られた水生産速度の矛盾した値（図4）は、昇華氷粒の存在と一致することができます。 この過程は、彗星の存在量で観測される分散に寄与する可能性がある。

• — 総生産率の比率は、現地生産率の比率とは異なります。 ガス生成は、分子に依存している核の回転中に日周変動を受けます。 さらに、核組成の不均一性が可能である。 説明のために、67Pの内部昏睡のH2OとCO2マップは、1.8–2でロゼッタ上のVIRTIS機器で取得しました。2AUの近日点前には、h2OとCO2分布の間に強い二分法が示されており（図5）、h2Oは本質的に照らされた赤道と北部地域から昇華し、co2は照らされていない南半球からの量で放出されている。 Finkらによって強調されているように。 これらの地図から得られるCO2/H2Oの総生産率の比率は現地生産のための悪い診察道具である。 H2OとCO2分布の同様の違いは、9P/Tempel1のために観察された。 67Pについては、スピン軸の強い斜めのために、彗星の軌道に沿って二つの半球が経験する照明条件の強い違いに起因すると理解されている。 近日点では、H2OとCO2の分布は類似しており、両方の分子は本質的に照らされた南半球からガス放出していることが判明した。

• — 分子の存在量は彗星の大気中で測定されます。 それらが核組成を代表する程度は、多くの理論的研究の対象となっている。 彗星の核は非常に低い熱慣性を示しているが、太陽に曝された後の氷組成の層別化が期待され、より揮発性の種がより深い層に存在する。 彗星核の熱進化とガス放出を調べるモデルから，彗星分子のガス放出プロファイルは分子のボラティリティ，核材料の熱慣性，水の氷構造の性質，気孔率およびダストマントリングなどの多くの要因に依存することが分かった。 形状，軌道特性，スピン軸の傾斜に関連する季節的効果も重要である。 Marboeuf&Schmittの図6は、彗星の氷の状態や揮発性物質がどのように捕捉されているか、および異なるマントルの厚さについての異なる仮定のための生成速度比と彗星の核の存在量との間のリンクを示しています。 CO2のような揮発性の低い分子の場合、コマ内の種の相対的な（H2Oに対する）存在量は、水の氷の構造や化学組成にかかわらず、近日点通過（地心距離2-3AU未満）の周りにのみ核の原始組成（相対偏差25％未満）と同様のままであり、核がダストマントルで完全に覆われていない限り、核が完全に覆われていない。 コマ中のCOやCH4などの揮発性の高い分子の相対的な存在量は、包接水和物によって支配される核についてのみ原始核組成とほぼ等しいままである。 近日点付近では、結晶性および非晶質の水氷構造の場合、核によって放出される揮発性の高い種の存在量は、未処理の核値よりも体系的に低い（一桁まで）。 塵のマントリングだけでなく、塵の腐食も生産率の比率に強く影響を与えることができるプロセスです。 近日点付近では、ダストマントルの表面アブレーションが重要になり、分子種の昇華の界面を表面に近づけ、水に対するそれらの生成速度とコマ混合比を増加させる。 このプロセスは、近日点の数日後にロゼッタから67Pで観測されたCO2、CH4およびOCSのカラム密度比の強い増加を説明するために提案されている。

• — いくつかの観測的事実は、原始的な多様性を主張するかもしれない。 73P/Schwassmann-Wachmann3彗星は、炭素鎖が枯渇したクラスの彗星であり、分裂イベントを受けた。 枯渇が複数の近日点通過からの単なる進化的効果であった場合、それは主に表面に限定され、内部は典型的に見えると予想される。 しかし、断片は、分裂前に測定されたものと同一の枯渇を有することが観察された。 さらに，赤外線とラジオで観測されたいくつかの種について，二つの主要な断片において同じ相対存在量を測定した。 起源に関連する多様性を主張するもう一つのポイントは、H2Sのような揮発性の高い種であっても、短周期彗星と長周期彗星で測定された同様の平均組成と組成の多様性である（例外はCOであり、長周期彗星でのみ高い存在量が測定されている）。 このような観点から、短周期彗星は進化の影響を受けやすくなると予想されます。

結論

無線および赤外線計測は、明るい彗星の出現とともに、彗星の大気中の多数の分子の同定を可能にし、彗星の揮発性物質と星形成領域に存在するものとの間に密接な関連を示している。 現在、ロゼッタ・ミッションのおかげで、彗星の分子のリストが急速に増加している。 彗星の中に星間のような複雑な有機化合物が存在することは、それらが太陽星雲の外側の領域または太陽系形成の初期段階で合成された保存された物質で作られていることを示している。

彗星大気の組成には強い多様性が観測されている。 COを除いて、2つの動的クラスの彗星（JfcとOCCs）は、親分子に関する限り同じ化学的多様性を示しています。 観測された多様性が進化過程のみに起因するのか、あるいは彗星核の様々な形成条件の代表的なものであるのかはまだ不明である。 私たちは、ロゼッタの使命は、この基本的な質問への答えを見つけるのに役立つことを期待しています。

著者の貢献

D.B.-M.はデータの解釈に参加し、記事を書いた。 N.B.は電波観測データとその分析を行い、数値を提供し、記事を改訂しました。 両方の著者は、出版のための最終的な承認を与えました。

競合する利益

我々は競合する利益を持たないことを宣言する。

資金調達

この研究には資金調達がありませんでした。

脚注

ディスカッションミーティング問題”ロゼッタの後の彗星科学”への14の貢献。