compoziția cometelor

Introducere

cometele sunt printre cele mai primitive obiecte ale Sistemului Solar. Compoziția chimică a gheții lor este reprezentativă pentru compoziția moleculară a regiunilor exterioare ale nebuloasei solare (discul protoplanetar solar) unde s-au format, acum 4,6 Gyr. Această compoziție chimică ar trebui să ofere informații despre condițiile de formare și evoluție a Sistemului Solar timpuriu .

o întrebare centrală este gradul în care volatilele sunt moștenite de la norul molecular părinte sau dacă chimia este resetată ca parte a evoluției tipice a discului . O altă întrebare este dacă sistemul nostru Solar, sau oricare dintre caracteristicile sale, este comun sau o ciudățenie. Identificările moleculare în discurile protoplanetare sunt încă rare, deși progresul continuă, după cum demonstrează detectarea recentă a CH3CN și CH3OH (de asemenea, constituenți ai Ice-urilor cometare) folosind Atacama large Millimeter/Submillimeter Array (ALMA) .

un număr mare de molecule au fost identificate în atmosfere cometare, atât din observații terestre, cât și din spațiu, inclusiv investigații in situ ale atmosferelor cometare. Aceasta include molecule organice mari, care sunt observate și în regiunile care formează stele. Abundențele moleculare în raport cu apa măsurată în comă prezintă variații puternice de la cometă la cometă (de exemplu.) și, de asemenea, variază de-a lungul orbitelor cometelor (de exemplu.). Această diversitate chimică poate reflecta diferite condiții de formare în nebuloasa solară primitivă, deși apar întrebări cu privire la măsura în care abundențele măsurate în atmosfere cometare sunt reprezentative pentru compoziția primitivă a gheții nucleului.

această lucrare prezintă o scurtă trecere în revistă a abundențelor moleculare măsurate în atmosfere cometare din observațiile spectroscopice de teledetecție. Actualizează recenziile detaliate publicate de Bockel Oquste-Morvan și colab. , Mumma & Charnley și Cochran și colab. . Investigațiile spectroscopice au furnizat informații despre 27 de molecule, fără a lua în considerare radicalii și izotopologii. Măsurătorile cu spectrometrul de masă ROSINA de la bordul Rosetta au dus la o multitudine de noi identificări moleculare în atmosfera cometei 67P/Churyumov–Gerasimenko (Grădina Zoologică cometară Rosetta, figura 1), care, cu câteva excepții, nu sunt încă publicate. Rezultatele publicate sunt detectările Rosinei de N2 , O2, glicină, CS2, S3, S4, CH3SH și C2H6S .

investigațiile spectroscopice ale moleculelor cometare

cunoștințele noastre actuale despre compoziția Ice-urilor nucleare cometare se bazează în esență pe investigațiile comei. Investigațiile directe ale ices pe suprafața nucleului sunt posibile numai de la o navă spațială. Spectrele în infraroșu apropiat ale suprafețelor cometare au evidențiat semnăturile spectrale ale gheții de apă , ale gheții de CO2 și ale unui material organic semi-volatil care conține grupul chimic COOH .

un pic mai mult de două duzini de molecule (fără a include izotopologi, ioni moleculari, atomi și radicali) au fost identificate în atmosfere cometare din observațiile spectroscopice (figura 2). Aceste identificări au fost obținute prin radio (20-600 GHz) și spectroscopie în infraroșu apropiat și, într-o măsură mai mică, folosind spectroscopie ultravioletă (Vezi detaliile majorității identificărilor spectroscopice din ). Cele mai multe identificări au fost obținute prin observații ale cometelor excepțional de luminoase C/1995 O1 (Hale-Bopp) și C/1996 B2 (Hyakutake). Cele mai recente descoperiri sunt glicolaldehida (CH2OHCHO) și etanolul (C2H5OH), identificate în cometa C/2014 Q2 (Lovejoy) din linii în intervalul milimetric . Deși majoritatea moleculelor sunt observate la lungimi de undă milimetrice, domeniul infraroșu oferă acces la molecule fără moment dipol, cum ar fi CO2, CH4 și alte hidrocarburi simetrice. Observații în ultraviolet și vizibil gama de lungimi de undă eșantion semnături de radicali, atomi și ioni care sunt fotoliză și produse chimice ale moleculelor părinte eliberate din Ice-urile nucleare. Spectrele UV au permis identificarea S2 și prezintă semnături puternice ale CO. Tabelul 1 oferă o listă de 28 de molecule (altele decât H2O) identificate în comete și gama de abundențe măsurate în raport cu apa (a se vedea figura 2 pentru numărul de comete în care a fost detectată fiecare moleculă). Domeniile de lungime de undă, unde sunt observate semnăturile moleculare, sunt indicate în tabelul 1. Această listă include CS, SO și NS, care sunt de fapt radicali. CS și așa sunt produse de foto-disociere ale CS2 și SO2, respectiv. Cu toate acestea, eliberarea directă a SO din Ice-urile nucleare este sugerată din datele ROSINA . Originea radicalului NS este necunoscută .

abundențele moleculare și diversitatea compoziției

din compoziția atmosferelor cometare, principalele componente ale Ice-urilor nucleare cometare sunt apa (aproximativ 80% din număr), urmată de CO2, CO, CH3OH, CH4, H2S și NH3 (figura 2). O investigație a abundenței de CO2 în 17 comete folosind telescopul spațial AKARI arată că CO2 domină asupra CO în majoritatea cometelor . Abundențele moleculelor mamă cometare detectate prin spectroscopie variază de la mai puțin de 0,01% la 20% în raport cu apa și, în general, scad odată cu creșterea complexității, cu excepția hidrocarburilor (tabelul 1). Unele specii , așa cum s-a demonstrat observațional pentru HNC și H2CO, pot fi produse de surse distribuite de gaze (de exemplu, cereale); a se vedea recenta revizuire a Cochran și colab. .

în funcție de moleculă, abundențele variază cu un factor de aproximativ trei până la 100 (pentru CO) între comete (tabelul 1 și figura 2). Figura 3 prezintă histograme de abundențe deduse din observațiile radio, luând în considerare clasele dinamice ale cometelor. Eșantionul include 46 de comete observate până în 2015 și încorporează abundențe nepublicate . Diversitatea chimică este observată atât pentru cometele de lungă durată originare din Norul Oort (OCCs), cât și pentru cometele din familia Jupiter (JFC) furnizate de Discul împrăștiat trans-Neptunian (figura 3). Figura 3 arată că, atunci când eșantionul de comete devine mai mare, distribuția abundențelor se apropie de o distribuție Gaussiană fără gruparea cometelor în funcție de originea lor dinamică. În mod similar, nu se observă nicio dovadă pentru o diferență de abundență de CO2 între JFC-uri și comete de perioadă lungă . Pe scurt, eșantionul disponibil de abundențe moleculare sugerează că OCC și JFC au aceeași distribuție a compoziției, cu excepția CO, care este prezent în abundență scăzută în toate JFC observate până în prezent. Acest lucru confirmă studiile anterioare bazate pe un eșantion mai mic . Diversitatea chimică este în concordanță cu calculele dinamice din cadrul modelului Nice, ceea ce sugerează că atât norul Oort, cât și Discul împrăștiat au fost populate cu comete formate în aceleași regiuni ale Sistemului Solar .

s-a susținut că cometele ar putea fi grupate în trei clase compoziționale, pe baza abundențelor compușilor organici . Cu toate acestea, o analiză statistică folosind modul G și tehnicile de analiză a componentelor principale efectuate de noi înșine pe baza a aproximativ o duzină de comete și șase molecule observate în radio și în infraroșu nu a dat o grupare semnificativă statistic. Mai recent, Dello Russo și colab. a prezentat o analiză sistematică a raporturilor de amestecare cu privire la H2O pentru opt specii (CH3OH, HCN, NH3, H2CO, C2H2, C2H6, CH4 și CO) măsurate cu spectroscopie în infraroșu de înaltă rezoluție în 30 de comete între 1997 și 2013. Acest studiu sugerează că raporturile de abundență în raport cu apa prezintă o epuizare generală a JFC-urilor în comparație cu cometele de perioadă lungă. Se observă corelații pozitive până la moderate între specii. O analiză cluster a produs patru grupuri și 11 subgrupe. Cu toate acestea, dimensiunea eșantionului trebuie mărită pentru a confirma aceste clase compoziționale emergente.

diversitatea chimică între comete a fost demonstrată pentru prima dată din observațiile spectroscopice și spectrofotometrice ale speciilor de produse (a se vedea revizuirea ). Speciile de produse sunt mult mai ușor observabile decât moleculele părinte, astfel încât au fost obținute măsurători de abundență pentru un număr mare de comete. Dintr-un studiu al radicalilor (OH, CN, C2, C3, NH) în 85 de comete, A ‘ Hearn și colab. a dedus existența a două clase de comete, în funcție de abundența lor C2 și C3: comete tipice și comete epuizate de carbon. Ei au descoperit că aproximativ jumătate din JFC – urile sunt C2 și C3 epuizate, dar fracția OCS epuizată cu carbon este mai mică. Într-un studiu mai recent, Cochran și colab. s-a constatat că două treimi din cometele epuizate erau JFC, în timp ce o treime erau perioade lungi. În plus, un procent mai mare de JFC-uri (37%) au fost epuizate decât de cometele de perioadă lungă (18,5%). Pe baza unui eșantion de 107 comete observate și produse în același mod, Schleicher & Bair a găsit șapte clase de comete distincte în ratele de producție CN, C2 și C3 în raport cu OH.

discuție

o întrebare fundamentală este dacă diversitatea observată în compoziția atmosferelor cometare rezultă din procese evolutive sau este reprezentativă pentru diferite condiții de formare a nucleelor cometare. Trebuie luate în considerare mai multe puncte:

• — abundențele cometare corespund raporturilor ratei totale de producție, apa fiind luată ca referință. Există dovezi observaționale că boabele înghețate (aproape) pure sunt eliberate din nucleul cometar și ar putea contribui la producerea vaporilor de apă. Cel mai bun exemplu este pentru cometa 103p/Hartley 2, investigată de misiunea EPOXI. Bucăți de particule înghețate care se sublimează pe partea lor însorită au fost văzute în numeroase imagini și au fost detectate semnăturile de gheață în infraroșu ale boabelor micrometrice de gheață pură . Morfologia neobișnuită a comei Oh poate fi explicată prin producția de apă din boabe înghețate . Un alt exemplu este cometa C / 2009 P1 (Garradd). Valorile inconsistente pentru ratele de producție a apei derivate din observații cu câmpuri de vedere mici (infraroșu) și mari (radio) (figura 4) pot fi reconciliate cu prezența granulelor înghețate sublimante . Acest proces poate contribui la dispersia observată în abundențele cometare.

• — raporturile ratei totale de producție diferă de rapoartele ratei locale de producție. Producția de gaze suferă fluctuații diurne în timpul rotației nucleului, care sunt dependente de molecule. În plus, sunt posibile eterogenități compoziționale ale nucleului. Pentru ilustrare, hărțile H2O și CO2 ale comei interioare a 67P achiziționate cu instrumentul VIRTIS de pe Rosetta la 1,8–2.2 ua pre-periheliu prezintă o dihotomie puternică între distribuțiile H2O și CO2 (Figura 5), cu H2O sublimând în esență din regiunile ecuatoriale și nordice iluminate și CO2 degazare în cantitate din emisfera sudică slab iluminată . După cum a subliniat Fink și colab. , raportul ratei totale de producție CO2/H2O derivat din aceste hărți este un instrument de diagnostic slab pentru producția locală. Diferențe similare în distribuțiile H2O și CO2 au fost observate pentru 9P / Tempel 1 . Pentru 67P, se înțelege că acestea rezultă din diferențele puternice în condițiile de iluminare experimentate de cele două emisfere de-a lungul orbitei cometei din cauza oblicității puternice a axei de spin. La periheliu, distribuția H2O și CO2 s-a dovedit a fi similară, ambele molecule depășind în esență emisfera sudică iluminată .

• — abundențele moleculare sunt măsurate în atmosfere cometare. Măsura în care sunt reprezentative pentru compoziția nucleului a făcut obiectul multor studii teoretice. Deși nucleele cometare prezintă o inerție termică foarte scăzută, stratificarea în compoziția gheții este așteptată în subteran după expunerea la soare, speciile mai volatile locuind în straturi mai profunde. Modelele care investighează evoluția termică și degazarea nucleelor cometare arată că profilurile de degazare ale moleculelor cometare depind de numeroși factori, cum ar fi volatilitatea moleculei, inerția termică a materialului nucleului, natura structurii gheții de apă, porozitatea și acoperirea prafului . Efectele sezoniere legate de formă, caracteristicile orbitale și oblicitatea axei de spin sunt, de asemenea, importante . Figura 6 , din Marboeuf & Schmitt, arată legătura dintre ratele ratei de producție și abundențele din nucleul cometei pentru diferite ipoteze despre starea ghețurilor cometare și modul în care volatilele sunt prinse și grosimile diferite ale mantalei. Pentru moleculele mai puțin volatile, cum ar fi CO2, abundențele relative (la H2O) ale speciilor din comă rămân similare cu compoziția primordială a nucleului (abatere relativă mai mică de 25%) numai în jurul pasajului periheliu (distanța heliocentrică mai mică de 2-3 UA), indiferent de structura gheții de apă și compoziția chimică și cu condiția ca nucleul să nu fie complet acoperit de o manta de praf. Abundențele relative ale moleculelor foarte volatile, cum ar fi CO și CH4 în comă, rămân aproximativ egale cu compoziția nucleului primitiv numai pentru nucleele dominate de hidrați de clatrat. În jurul periheliului, în cazul structurilor cristaline și amorfe de gheață de apă, abundențele speciilor extrem de volatile eliberate de nucleu sunt sistematic mai mici (cu până la un ordin de mărime) decât valorile nucleului neprelucrat. Nu numai mantlingul de praf, ci și eroziunea prafului sunt procese care pot afecta puternic raporturile ratei de producție. În apropierea periheliului, ablația de suprafață a mantalei de praf poate deveni importantă, ceea ce deplasează interfețele de sublimare a speciilor moleculare mai aproape de suprafață și crește rata lor de producție și raporturile de amestecare a comei în raport cu apa . Acest proces este propus pentru a explica creșterea puternică a raporturilor de densitate a coloanei de CO2, CH4 și OCS observate la 67p de la Rosetta la câteva zile după periheliu .

• — câteva fapte observaționale ar putea argumenta pentru o diversitate primitivă. Cometa 73P / Schwassmann-Wachmann 3, o cometă din clasa epuizată cu lanț de carbon, a suferit evenimente de divizare. Dacă epuizarea ar fi doar un efect evolutiv, din mai multe pasaje periheliale, ne-am aștepta să fie limitată mai ales la suprafață și interiorul ar părea tipic. Cu toate acestea, s-a observat că fragmentele au epuizări identice cu cele măsurate înainte de divizare . În plus, aceleași abundențe relative au fost măsurate în cele două fragmente principale pentru mai multe specii observate în infraroșu și radio . Un alt punct care argumentează o diversitate legată de origine este compoziția medie similară și diversitatea compoziției măsurate pentru cometele de perioadă scurtă și lungă, chiar și pentru speciile foarte volatile, cum ar fi H2S (excepția fiind CO, pentru care abundențele ridicate au fost măsurate doar în cometele de perioadă lungă). Din acest punct de vedere, ne-am putea aștepta ca cometele de scurtă durată să fie mai afectate de efectele evolutive.

concluzie

instrumentele radio și infraroșii, împreună cu apariția cometelor luminoase, au permis identificarea a numeroase molecule în atmosferele cometare, arătând o legătură strânsă între volatilele din comete și cele prezente în regiunile care formează stele. Lista moleculelor cometare identificate crește acum rapid datorită misiunii Rosetta. Prezența compușilor organici complexi de tip interstelar în comete arată că acestea sunt fabricate din material conservat sintetizat în regiunile exterioare ale nebuloasei solare sau în etapele anterioare ale formării sistemului Solar.

se observă o diversitate puternică în compoziția atmosferelor cometare. Cu excepția CO, cele două clase dinamice de comete (JFC și OCC) prezintă aceeași diversitate chimică în ceea ce privește moleculele părinte. Nu este încă clar dacă diversitatea observată rezultă doar din procese evolutive sau este reprezentativă (cel puțin parțial) a diferitelor condiții de formare a nucleelor cometare. Ne așteptăm ca misiunea Rosetta să ajute la găsirea răspunsului la această întrebare fundamentală.

contribuțiile autorului

D. B.-M. a participat la interpretarea datelor și a scris articolul. N. B. a efectuat date observaționale radio și analiza acestora, a furnizat cifre și a revizuit articolul. Ambii autori au dat aprobarea finală pentru publicare.

interese concurente

declarăm că nu avem interese concurente.

finanțare

nu am primit nicio finanțare pentru acest studiu.

note de subsol

o contribuție din 14 la o întâlnire de discuții problema ‘știința cometară după Rosetta’.