sammensetningen av kometer

Introduksjon

Kometer er blant De mest primitive objektene I Solsystemet. Den kjemiske sammensetningen av deres ices er representativ for den molekylære sammensetningen av de ytre områdene av soltåken (den solprotoplanetiske skiven) der de dannet, 4, 6 Gyr siden. Denne kjemiske sammensetningen skal gi innsikt i betingelsene for dannelse og utvikling av det tidlige Solsystemet .

et sentralt spørsmål er i hvilken grad flyktige stoffer arves fra den overordnede molekylskyen, eller om kjemien tilbakestilles som en del av typisk skiveutvikling . Et annet spørsmål er om Vårt Solsystem, eller noen av dets egenskaper, er vanlig eller en oddity. Molekylære identifikasjoner i protoplanetariske skiver er fortsatt sparsomme, selv om fremgangen fortsetter, noe SOM er demonstrert ved den nylige oppdagelsen AV CH3CN og CH3OH (også bestanddeler av KOMETARISKE iser) ved HJELP AV ATACAMA Large Millimeter/Submillimeter Array (ALMA) .

Et stort antall molekyler er identifisert i kometatmosfærer, både fra bakkebaserte observasjoner og fra rom, inkludert in situ-undersøkelser av kometatmosfærer. Dette inkluderer store organiske molekyler, som også observeres i stjernedannende regioner. Molekylære forekomster i forhold til vann målt i koma viser sterke variasjoner fra komet til komet (f.eks.), og varierer også langs komets baner (f. eks.). Dette kjemiske mangfoldet kan gjenspeile ulike formasjonsforhold i den primitive soltåken, men det oppstår spørsmål om i hvilken grad forekomsten målt i kometatmosfærer er representativ for den primitive sammensetningen av kjernen iser.

denne artikkelen presenterer en kort gjennomgang av molekylære forekomster målt i kometiske atmosfærer fra fjernmåling spektroskopiske observasjoner. Den oppdaterer detaljerte vurderinger publisert av Bockelé-Morvan et al. , Mumma & Charnley Og Cochran et al. . Spektroskopiske undersøkelser har gitt informasjon om 27 molekyler, ikke teller radikaler og isotopologer. Målinger MED ROSINA massespektrometer om Bord I Rosetta resulterte i et vell av nye molekylære identifikasjoner i atmosfæren til kometen 67p / Churyumov–Gerasimenko (Rosetta cometary zoo, figur 1), som med noen få unntak ikke er publisert ennå. Publiserte resultater er ROSINA-detekteringene Av N2, O2 , glycin, CS2, S3, S4, CH3SH og C2H6S .

Spektroskopiske undersøkelser av kometmolekyler

vår nåværende kunnskap om sammensetningen av kometære atomis er i hovedsak basert på undersøkelser av koma. Direkte undersøkelser av is på kjerneoverflaten er bare mulig fra et romfartøy. Nær-infrarøde spektra av kometoverflater avslørte spektrale signaturer av vannis, CO2-is og av et semi-flyktig organisk materiale som inneholder COOH kjemisk gruppe .

litt mer enn to dusin molekyler (ikke inkludert isotopologer, molekylære ioner, atomer og radikaler) har blitt identifisert i kometatmosfærer fra spektroskopiske observasjoner (figur 2). Disse identifikasjonene ble oppnådd gjennom radio (20-600 GHz) og nær-infrarød spektroskopi, og i mindre grad ved hjelp av ultrafiolett spektroskopi (se detaljer om de fleste spektroskopiske identifikasjoner i ). De fleste identifikasjonene ble oppnådd gjennom observasjoner Av de eksepsjonelt lyse kometene C / 1995 O1 (Hale-Bopp) og C/1996 B2 (Hyakutake). De siste funnene er glykolaldehyd (CH2OHCHO) og etanol (C2H5OH), identifisert I comet C/2014 Q2 (Lovejoy) fra linjer i millimeterområdet . Selv om de fleste molekyler observeres ved millimeterbølgelengder, gir det infrarøde domenet tilgang til molekyler uten dipolmoment som CO2, CH4 og andre symmetriske hydrokarboner. Observasjoner i det ultrafiolette og synlige bølgelengdeområdet prøver signaturer av radikaler, atomer og ioner som er fotolyse og kjemiske produkter av modermolekyler frigjort fra atomis. UV spektra tillatt identifisering Av S2 og viser sterke signaturer AV CO. Tabell 1 gir en liste over 28 molekyler (andre ENN H2O) identifisert i kometer og omfanget av målt forekomst i forhold til vann (se figur 2 for antall kometer der hvert molekyl har blitt oppdaget). Bølgelengdedomenene, hvor molekylære signaturer observeres, er angitt i tabell 1. DENNE listen inneholder CS, SO OG NS, som faktisk er radikaler. CS og SÅ er foto-dissosiasjon produkter AV CS2 og SO2, henholdsvis. Imidlertid foreslås direkte utgivelse AV SO fra kjernefysiske ices fra ROSINA-dataene . Opprinnelsen TIL ns-radikalet er ukjent .

Molekylære forekomster og sammensetningsmangfold

fra sammensetningen av kometatmosfærer er hovedkomponentene i kometære atomis vann (ca. 80% etter antall), etterfulgt AV CO2, CO, CH3OH, CH4, H2S og NH3 (figur 2). En undersøkelse av co2 overflod i 17 kometer ved HJELP AV akari space telescope viser AT CO2 dominerer OVER CO i de fleste kometer . Forekomsten av kometmolekyler oppdaget ved spektroskopi varierer fra mindre enn 0,01% til 20% i forhold til vann, og reduseres generelt med økende kompleksitet, bortsett fra hydrokarboner (tabell 1). Noen arter, som observasjonelt demonstrert FOR HNC og H2CO, kan produseres av distribuerte kilder til gasser( f. eks. korn); se nylig gjennomgang Av Cochran et al. .

avhengig av molekylet varierer forekomsten med en faktor på omtrent tre til 100 (FOR CO) blant kometer (tabell 1 og figur 2). Figur 3 viser histogrammer av overflod utledet fra radioobservasjoner, vurderer dynamiske klasser av kometer. Prøven inneholder 46 kometer observert frem til 2015, og inkorporerer upubliserte mengder . Kjemisk mangfold observeres både for langperiodiske kometer som stammer fra Oorts sky (OCCs) og For Jupiter-familiens kometer (Jfcs) levert av den transneptunske spredte skiven (figur 3). Figur 3 viser at når kometprøven blir større, nærmer fordelingen av overflodene seg En Gaussisk fordeling uten gruppering av kometer i henhold til deres dynamiske opprinnelse. På samme måte er det ikke sett noe bevis for en forskjell I co2-overflod mellom JFCs og langperiodiske kometer . Oppsummert antyder den tilgjengelige prøven av molekylære overflod at OCCs og JFCs har samme sammensetningsfordeling, bortsett FRA CO, som er tilstede i lav overflod i alle jfcs observert så langt. Dette bekrefter tidligere studier basert på en mindre prøve . Kjemisk mangfold er i samsvar med dynamiske beregninger i Rammen Av Nice-modellen, noe som tyder på at Både oorts sky og den spredte skiven var befolket med kometer dannet i de samme Områdene I Solsystemet .

det har blitt hevdet at kometer kunne grupperes i tre komposisjonsklasser, basert på overflod av organiske forbindelser . Imidlertid ga en statistisk analyse ved Hjelp Av G-modus og hovedkomponentanalyseteknikker utført av oss selv basert på omtrent et dusin kometer og seks molekyler observert i radioen og i infrarødt ikke en statistisk signifikant gruppering. Mer nylig, Dello Russo et al. presentert en systematisk analyse av blandingsforhold med hensyn TIL H2O for åtte arter (CH3OH, HCN, NH3, H2CO, C2H2, C2H6, CH4 OG CO) målt med høyoppløselig infrarød spektroskopi i 30 kometer mellom 1997 og 2013. Denne studien antyder at overflodforhold i forhold til vann gir en generell uttømming i JFCs sammenlignet med langperiodiske kometer. Positive til moderate korrelasjoner observeres mellom arter. En klyngeanalyse produserte fire grupper og 11 undergrupper. Størrelsen på prøven må imidlertid økes for å bekrefte disse nye komposisjonsklassene.

Kjemisk mangfold blant kometer ble først demonstrert fra spektroskopiske og spektrofotometriske observasjoner av produktarter (se gjennomgang av). Produktarter er mye lettere observerbare enn modermolekyler, slik at overflodsmålinger for et stort antall kometer er oppnådd. Fra en studie av radikaler (OH, CN, C2, C3, NH) i 85 kometer, A ‘ Hearn et al. utledes eksistensen av to klasser av kometer, avhengig Av deres c2 Og C3 overflod: ‘typiske’ kometer og’ karbon-utarmet ‘ kometer. De fant at omtrent halvparten av Jfc er C2 Og C3 utarmet, men fraksjonen av karbon-utarmet OCCs er mindre. I en nyere studie, Cochran et al. fant at to tredjedeler av de utarmede kometer var JFCs mens en tredjedel var lang periode. I tillegg var en høyere prosentandel Av Jfc-Ene (37%) oppbrukt enn av langperiodiske kometer (18,5%). Basert på et utvalg av 107 kometer observert Og produsert på samme måte, Fant Schleicher & Bair syv klasser av kometer forskjellige i PRODUKSJONSRATENE CN, C2 og C3 i forhold TIL OH.

Diskusjon

et grunnleggende spørsmål er om det observerte mangfoldet i sammensetningen av kometatmosfærer skyldes evolusjonære prosesser eller er representativt for ulike formasjonsforhold for kometkjerner. Flere punkter må tas i betraktning:

• — komet overflod tilsvarer totale produksjon rate forholdstall, med vann tatt som referanse. Det er observasjonelle bevis på at (nesten) rene isete korn frigjøres fra kometenkjernen og kan bidra til vanndampproduksjon. Det beste eksemplet er for comet 103p / Hartley 2, undersøkt AV EPOXI-oppdraget. Biter av isete partikler som sublimerer på solsiden har blitt sett i mange bilder, og de infrarøde is signaturene til mikrometriske rene iskorn har blitt oppdaget . DEN uvanlige OH coma morfologi kan forklares med vannproduksjon fra isete korn . Et annet eksempel er kometen C / 2009 P1 (Garradd). Inkonsekvente verdier for vannproduksjonsrater avledet fra observasjoner med små (infrarøde) og store (radio) synsfelt (figur 4) kan forenes med tilstedeværelsen av sublime isete korn . Denne prosessen kan bidra til dispersjonen observert i kometoverflod.

• — Den totale produksjonsraten skiller seg fra den lokale produksjonsraten. Gassproduksjon gjennomgår daglige svingninger under kjernerotasjon, som er molekylavhengige. I tillegg er kjernesammensetnings heterogeniteter mulige. For illustrasjon kjøpte H2O–OG CO2-kartene av den indre koma AV 67P MED VIRTIS-instrumentet På Rosetta ved 1.8-2.2 AU pre-perihelion viser en sterk dikotomi mellom h2o-OG CO2-fordelingene (figur 5), MED H2O sublimering hovedsakelig fra de opplyste ekvatoriale og nordlige områdene, OG CO2 utgassing i mengde fra den dårlig opplyste sørlige halvkule . Som fremhevet Av Fink et al. CO2 / H2O total produksjon rate ratio avledet fra disse kartene er et dårlig diagnostisk verktøy for lokal produksjon. Lignende forskjeller I h2o-og CO2-fordelinger ble observert FOR 9P / Tempel 1 . FOR 67P forstås de å skyldes de sterke forskjellene i belysningsforhold som oppleves av de to halvkugler langs kometens bane på grunn av den sterke skråheten til spinnaksen. Ved perihelion ble fordelingen AV H2O OG CO2 funnet å være lik, med begge molekylene utgassing hovedsakelig fra den opplyste sørlige halvkule .

• — Molekylær forekomst måles i kometatmosfærer. I hvilken grad de er representative for kjernesammensetningen har vært gjenstand for mange teoretiske studier. Selv om kometenkjerner har en svært lav termisk treghet, forventes stratifisering i isblandingen i undergrunnen etter eksponering for Solen, med de mer flyktige artene bosatt i dypere lag. Modeller som undersøker termisk utvikling og utgassing av kometkjerner viser at utgassingsprofilene til kometmolekyler er avhengige av mange faktorer som molekylets volatilitet, termisk treghet i kjernematerialet, vannisstrukturens natur, porøsitet og støvmantling . Sesongeffekter knyttet til form, baneegenskaper og spinnaksehøyhet er også viktige . Figur 6 ,Fra Marboeuf & Schmitt, viser sammenhengen mellom produksjonshastighetsforhold og forekomsten i kometkjernen for forskjellige antagelser om tilstanden til kometis og hvordan flyktige stoffer er fanget, og forskjellige manteltykkelser. FOR de mindre flyktige molekylene SOM CO2 forblir de relative (til H2O) overflodene av arter i koma lik den opprinnelige sammensetningen av kjernen (relativ avvik mindre enn 25%) bare rundt perihelionpassasjen (heliocentrisk avstand mindre enn 2-3 AU), uavhengig av vannisstrukturen og den kjemiske sammensetningen, og forutsatt at kjernen ikke er fullt dekket av en støvmantel. De relative overflodene av svært flyktige molekyler som CO OG CH4 i koma forblir omtrent lik den primitive kjernesammensetningen bare for kjerner dominert av klatrathydrater. Rundt perihelion, i tilfeller av krystallinske og amorfe vannisstrukturer, er overflodene av de svært flyktige artene som frigjøres av kjernen systematisk lavere (med opptil en størrelsesorden) enn de ubehandlede kjerneverdiene. Ikke bare støv mantling, men også støv erosjon er prosesser som sterkt kan påvirke produksjonshastighet forhold. Nær perihelium kan overflateablation av støvmantelen bli viktig, noe som beveger grensesnittene til sublimering av molekylære arter nærmere overflaten, og øker produksjonshastigheten og komablandingsforholdene i forhold til vann . Denne prosessen foreslås å forklare den sterke økningen i kolonnetetthetsforholdene AV CO2, CH4 og OCS observert I 67p Fra Rosetta noen dager etter perihelion .

• — noen observasjonelle fakta kan argumentere for et primitivt mangfold. Kometen 73p / Schwassmann-Wachmann 3, en komet i karbonkjedeutarmet klasse, gjennomgikk splitting hendelser. Hvis utmattelsen bare var en evolusjonær effekt, fra flere perihelionpassasjer, ville vi forvente at den skulle være begrenset mest til overflaten og interiøret ville virke typisk. Imidlertid ble fragmentene observert å ha depletions identiske med de som ble målt før splitting . I tillegg ble de samme relative overflodene målt i de to hovedfragmentene for flere arter observert i infrarød og radio . Et annet poeng som argumenterer for et mangfold relatert til opprinnelse er den tilsvarende gjennomsnittlige sammensetningen og sammensetningsmangfoldet målt for kortperiodiske og langperiodiske kometer, selv for svært flyktige arter SOM H2S (unntaket er CO, hvor høye forekomster bare er målt i langperiodiske kometer). Fra dette synspunkt kan vi forvente at kortperiodiske kometer blir mer påvirket av evolusjonære effekter.

Konklusjon

Radio-Og infrarøde instrumenteringer, sammen med fremtoningen av lyssterke kometer, har gjort det mulig å identifisere tallrike molekyler i kometatmosfærer, noe som viser en nær sammenheng mellom flyktige stoffer i kometer og de som er tilstede i stjernedannende regioner. Listen over identifiserte kometmolekyler øker nå raskt på Grunn Av Rosetta-oppdraget. Tilstedeværelsen av interstellarlignende komplekse organiske forbindelser i kometer viser at de er laget av konservert materiale syntetisert i de ytre områdene av soltåken eller i de tidligere stadiene Av Solsystemets dannelse.

et sterkt mangfold observeres i sammensetningen av kometatmosfærer. Bortsett FRA CO, presenterer de to dynamiske klassene av kometer (Jfcs og OCCs) det samme kjemiske mangfoldet når det gjelder foreldremolekyler. Hvorvidt det observerte mangfoldet bare skyldes evolusjonære prosesser eller er representativt (i det minste delvis) for ulike formasjonsforholdene til kometenkjerner, er fortsatt uklart. Vi forventer At Rosetta-oppdraget hjelper til med å finne svaret på dette grunnleggende spørsmålet.

Forfatterbidrag

D. B.-M. deltok i tolkningen av dataene og skrev artikkelen. N. B. gjennomførte radioobservasjonsdata og deres analyse, ga tall og revidert artikkelen. Begge forfatterne ga endelig godkjenning for publisering.

Konkurrerende interesser

vi erklærer at vi ikke har konkurrerende interesser.

Finansiering

vi mottok ingen midler til denne studien.

Fotnoter

Ett bidrag av 14 til et diskusjonsmøte problem ‘Cometary science after Rosetta’.