sammansättningen av kometiska ices

introduktion

kometer är bland de mest primitiva föremålen i solsystemet. Den kemiska sammansättningen av deras ices är representativ för den molekylära sammansättningen av de yttre regionerna i solnebulosan (solprotoplanetärskivan) där de bildades, 4, 6 Gyr sedan. Denna kemiska sammansättning bör ge insikter om förhållandena för bildandet och utvecklingen av det tidiga solsystemet .

en central fråga är i vilken grad flyktiga ämnen ärvs från modermolekylmolnet, eller om kemin återställs som en del av typisk skivutveckling . En annan fråga är om vårt solsystem, eller någon av dess egenskaper, är vanligt eller en odditet. Molekylära identifieringar i protoplanetära skivor är fortfarande glesa, även om framsteg fortsätter, vilket demonstreras av den senaste upptäckten av CH3CN och CH3OH (även beståndsdelar i kometiska ices) med Atacama Large Millimeter/Submillimeter Array (ALMA) .

ett stort antal molekyler har identifierats i kometenatmosfärer, från både markbaserade observationer och rymden, inklusive in situ-undersökningar av kometenatmosfärer. Detta inkluderar stora organiska molekyler, som också observeras i stjärnbildande regioner. Molekylära överflöd i förhållande till vatten uppmätt i koma visar starka variationer från komet till komet (t.ex.) och varierar också längs komets banor (t. ex.). Denna kemiska mångfald kan återspegla olika bildningsförhållanden i den primitiva solnebulosan, även om frågor uppstår om i vilken utsträckning överflöd uppmätta i kometiska atmosfärer är representativa för den primitiva sammansättningen av nucleus ices.

denna uppsats presenterar en kort genomgång av molekylära överflöd mätt i kometiska atmosfärer från fjärranalys spektroskopiska observationer. Den uppdaterar de detaljerade recensioner som publicerats av Bockel Portugue-Morvan et al. , Mumma & Charnley och Cochran et al. . Spektroskopiska undersökningar har gett information om 27 molekyler, inte räknar radikaler och isotopologer. Mätningar med ROSINA-masspektrometern ombord Rosetta resulterade i en mängd nya molekylära identifieringar i atmosfären av kometen 67P/Churyumov–Gerasimenko (Rosetta cometary zoo, figur 1), som med några få undantag ännu inte publicerats. Publicerade resultat är ROSINA-detekteringarna av N2 , O2 , glycin, CS2, S3, S4, CH3SH och C2H6S .

spektroskopiska undersökningar av kometmolekyler

vår nuvarande kunskap om sammansättningen av kometiska nukleära ices är i huvudsak baserad på undersökningar av koma. Direkta undersökningar av is på kärnans yta är endast möjliga från en rymdfarkost. Nära infraröda spektra av kometiska ytor avslöjade de spektrala signaturerna av vattenis, CO2-is och av ett halvflyktigt organiskt material innehållande COOH-kemisk grupp .

lite mer än två dussin molekyler (exklusive isotopologer, molekyljoner, atomer och radikaler) har identifierats i kometiska atmosfärer från spektroskopiska observationer (figur 2). Dessa identifieringar erhölls genom radio (20-600 GHz) och nära infraröd spektroskopi, och i mindre utsträckning med hjälp av ultraviolett spektroskopi (se detaljerna i de flesta spektroskopiska identifieringar i ). De flesta identifieringar erhölls genom observationer av de exceptionellt ljusa kometerna C/1995 O1 (Hale-Bopp) och C/1996 B2 (Hyakutake). De senaste upptäckterna är glykolaldehyd (CH2OHCHO) och etanol (C2H5OH), identifierade i kometen C/2014 Q2 (Lovejoy) från linjer i millimeterområdet . Även om de flesta molekyler observeras vid millimetervåglängder, ger den infraröda domänen tillgång till molekyler utan dipolmoment som CO2, CH4 och andra symmetriska kolväten. Observationer i det ultravioletta och synliga våglängdsområdet provsignaturer av radikaler, atomer och joner som är fotolys och kemiska produkter av modermolekyler som frigörs från kärn ices. UV-spektra möjliggjorde identifiering av S2 och visar starka signaturer av CO. Tabell 1 ger en lista över 28 molekyler (andra än H2O) identifierade i kometer och intervallet av uppmätta överflöd i förhållande till vatten (se figur 2 för antalet kometer där varje molekyl har detekterats). Våglängdsdomänerna, där de molekylära signaturerna observeras, anges i tabell 1. Denna lista innehåller CS, SO och NS, som i själva verket är radikaler. CS och så är fotodissociationsprodukter av CS2 respektive SO2. Emellertid föreslås direkt frisättning av SO från kärnkraftsförhållandena från ROSINA-uppgifterna . Ursprunget till ns-radikalen är okänt .

molekylära överflöd och sammansättning mångfald

från sammansättningen av kometära atmosfärer är huvudkomponenterna i kometiska nukleära is vatten (ca 80% i antal) följt av CO2, CO, CH3OH, CH4, H2S och NH3 (figur 2). En undersökning av CO2-överflödet i 17 kometer med AKARI rymdteleskop visar att CO2 dominerar över CO i de flesta kometer . Överflöd av kometära modermolekyler detekterade genom spektroskopi sträcker sig från mindre än 0,01% till 20% i förhållande till vatten och minskar i allmänhet med ökande komplexitet, förutom kolväten (tabell 1). Vissa arter, som observationellt demonstreras för HNC och H2CO , kan produceras av distribuerade källor av gaser (t.ex. korn); se den senaste översynen av Cochran et al. .

beroende på molekylen varierar överflöd med en faktor på cirka tre till 100 (för CO) bland kometer (tabell 1 och figur 2). Figur 3 visar histogram av överflöd härledda från radioobservationer, med tanke på de dynamiska klasserna av kometer. Provet innehåller 46 kometer som observerats fram till 2015 och innehåller opublicerade överflöd . Kemisk mångfald observeras både för långperiodiska kometer som härrör från Oort-molnet (OCC) och för Jupiter-familjekometer (JFC) som levereras av trans-Neptunian spridd skiva (figur 3). Figur 3 visar att när provet av kometer blir större närmar sig fördelningen av överflöd en Gaussisk fördelning utan gruppering av kometer enligt deras dynamiska ursprung. Liknande, Inga bevis ses för en skillnad i CO2 överflöd mellan JFC och lång period kometer . Sammanfattningsvis föreslår det tillgängliga provet av molekylära överflöd att OCC och JFC har samma sammansättningsfördelning, förutom avseende CO, som är närvarande i låg överflöd i alla JFC som hittills observerats. Detta bekräftar tidigare studier baserade på ett mindre urval . Kemisk mångfald överensstämmer med dynamiska beräkningar inom ramen för Nice-modellen, vilket tyder på att både Oort-molnet och den spridda skivan befolkades med kometer bildade i samma regioner i solsystemet .

det har hävdats att kometer kan grupperas i tre kompositionsklasser, baserat på överflöd av organiska föreningar . En statistisk analys med G-mode och huvudkomponentanalystekniker utförda av oss själva baserat på ungefär ett dussin kometer och sex molekyler observerade i radion och i infrarött gav emellertid inte en statistiskt signifikant gruppering. På senare tid, Dello Russo et al. presenterade en systematisk analys av blandningsförhållandena med avseende på H2O för åtta arter (CH3OH, HCN, NH3, H2CO, C2H2, C2H6, CH4 och CO) mätt med högupplöst infraröd spektroskopi i 30 kometer mellan 1997 och 2013. Denna studie tyder på att överflödsförhållanden i förhållande till vatten uppvisar en total utarmning i JFC jämfört med långperiodiska kometer. Positiva till måttliga korrelationer observeras mellan arter. En klusteranalys producerade fyra grupper och 11 undergrupper. Storleken på provet måste dock ökas för att bekräfta dessa framväxande kompositionsklasser.

kemisk mångfald bland kometer demonstrerades först från spektroskopiska och spektrofotometriska observationer av produktarter (se översynen av ). Produktarter är mycket lättare observerbara än modermolekyler, så att överflödesmätningar för ett stort antal kometer har erhållits. Från en studie av radikaler (OH, CN, C2, C3, NH) i 85 kometer, A ‘ Hearn et al. härledde förekomsten av två klasser av kometer, beroende på deras C2-och C3-överflöd: ‘typiska’ kometer och ‘kolutarmade’ kometer. De fann att ungefär hälften av JFC: erna är C2 och C3 utarmade, men fraktionen av kolutarmade OCC är mindre. I en nyare studie, Cochran et al. fann att två tredjedelar av de utarmade kometer var JFC medan en tredjedel var lång period. Dessutom var en högre andel av JFC: erna (37%) utarmade än av de långperiodiska kometerna (18,5%). Baserat på ett urval av 107 kometer observerade och producerade på samma sätt fann Schleicher & Bair sju klasser av kometer som skiljer sig åt i CN -, C2-och C3-produktionshastigheterna i förhållande till OH.

diskussion

en grundläggande fråga är om den observerade mångfalden i sammansättningen av kometiska atmosfärer är resultatet av evolutionära processer eller är representativ för olika bildningsförhållanden för kometiska kärnor. Flera punkter måste beaktas:

• — Kometära överflöd motsvarar totala produktionshastighetsförhållanden, med vatten som referens. Det finns observationsbevis för att (nästan) rena isiga korn frigörs från kometenkärnan och kan bidra till produktion av vattenånga. Det bästa exemplet är för kometen 103p / Hartley 2, undersökt av EPOXI-uppdraget. Bitar av isiga partiklar som sublimerar på sin soliga sida har setts i många bilder och de infraröda issignaturerna av mikrometriska rena iskorn har upptäckts . Den ovanliga OH coma-morfologin kan förklaras av vattenproduktion från isiga korn . Ett annat exempel är kometen C / 2009 P1 (Garradd). Inkonsekventa värden för vattenproduktionshastigheter härledda från observationer med små (infraröda) och stora (radio) synfält (figur 4) kan förenas med närvaron av sublimerande isiga korn . Denna process kan bidra till spridningen observerad i kometiska överflöd.

• — totala produktionshastighetsförhållanden skiljer sig från lokala produktionshastighetsförhållanden. Gasproduktion genomgår dagliga fluktuationer under kärnrotation, vilka är molekylberoende. Dessutom är kärnkompositionella heterogeniteter möjliga. För illustration förvärvades H2o–och CO2-kartorna över den inre koma av 67P med VIRTIS-instrumentet på Rosetta vid 1.8-2.2 AU Pre-perihelion visar en stark dikotomi mellan H2o-och CO2-fördelningarna (figur 5), med H2O sublimering väsentligen från de upplysta ekvatoriella och norra regionerna och CO2-utgasning i kvantitet från den dåligt upplysta södra halvklotet . Som framhävs av Fink et al. , CO2 / H2O totala produktionshastighetsförhållandet som härrör från dessa kartor är ett dåligt diagnostiskt verktyg för lokal produktion. Liknande skillnader i H2o-och CO2-fördelningar observerades för 9P / Tempel 1 . För 67P förstås de bero på de starka skillnaderna i belysningsförhållanden som upplevs av de två halvkärmarna längs kometens bana på grund av den starka snedställningen hos spinaxeln. Vid perihelion befanns fördelningen av H2O och CO2 vara likartad, med båda molekylerna som i huvudsak avgaser från den upplysta södra halvklotet .

• — molekylära överflöd mäts i kometiska atmosfärer. I vilken utsträckning de är representativa för kärnkompositionen har varit föremål för många teoretiska studier. Även om kometiska kärnor uppvisar en mycket låg termisk tröghet, förväntas stratifiering i iskompositionen i underytan efter exponering för solen, med de mer flyktiga arterna som bor i djupare lager. Modeller som undersöker termisk utveckling och utgasning av kometkärnor visar att utgasningsprofilerna för kometmolekyler beror på många faktorer såsom molekylens volatilitet, termisk tröghet i kärnmaterialet, vattnets isstruktur, porositet och dammmantling . Säsongseffekter relaterade till form, orbital egenskaper och spin axel obliquity är också viktiga . Figur 6 , från Marboeuf & Schmitt, visar sambandet mellan produktionshastighetsförhållanden och överflöd i kometkärnan för olika antaganden om tillståndet för kometiska is och hur flyktiga ämnen fångas och olika manteltjocklekar. För de mindre flyktiga molekylerna, såsom CO2, förblir de relativa (till H2O) överflöd av arter i koma lik den primordiala sammansättningen av kärnan (relativ avvikelse mindre än 25%) endast runt periheliumpassagen (heliocentriskt avstånd mindre än 2-3 AU), oavsett vattenis struktur och den kemiska sammansättningen, och förutsatt att kärnan inte är helt täckt av en dammmantel. De relativa överflödena av mycket flyktiga molekyler såsom CO och CH4 i koma förblir ungefär lika med den primitiva kärnkompositionen endast för kärnor som domineras av klatrathydrater. Runt perihelion, i fallet med de kristallina och amorfa vattenisstrukturerna, är överflöd av de mycket flyktiga arterna som frigörs av kärnan systematiskt lägre (med upp till en storleksordning) än de obearbetade kärnvärdena. Inte bara dammmantling utan också dammosion är processer som starkt kan påverka produktionshastighetsförhållandena. Nära perihelion kan ytablation av dammmanteln bli viktig, vilket förflyttar gränssnitten för sublimering av molekylära arter närmare ytan och ökar deras produktionshastighet och koma blandningsförhållanden i förhållande till vatten . Denna process föreslås förklara den starka ökningen av kolonndensitetsförhållandena för CO2, CH4 och OCS observerade i 67P från Rosetta några dagar efter perihelion .

• — några observationsfakta kan argumentera för en primitiv mångfald. Kometen 73P / Schwassmann-Wachmann 3, en komet i den kolkedjeutarmade klassen, genomgick splittringshändelser. Om utarmningen bara var en evolutionär effekt, från flera periheliumpassager, skulle vi förvänta oss att den skulle begränsas mestadels till ytan och interiören skulle verka typisk. Fragmenten observerades emellertid ha depletioner identiska med de som mättes före splittring . Dessutom mättes samma relativa överflöd i de två huvudfragmenten för flera arter som observerades i infraröd och radio . En annan punkt som argumenterar för en mångfald relaterad till ursprung är den liknande medelkompositionen och kompositionens mångfald uppmätt för kometer med kort period och lång period, även för mycket flyktiga arter som H2S (undantaget är CO, för vilka höga överflöd endast har uppmätts i kometer med lång period). Ur denna synvinkel kan vi förvänta oss att kortperiodiska kometer påverkas mer av evolutionära effekter.

slutsats

Radio-och infraröda instrument, tillsammans med uppenbarelsen av ljusa kometer, har gjort det möjligt att identifiera många molekyler i kometiska atmosfärer, vilket visar en nära koppling mellan flyktiga ämnen i kometer och de som finns i stjärnbildande regioner. Listan över identifierade kometiska molekyler ökar nu snabbt på grund av Rosetta-uppdraget. Närvaron av interstellära komplexa organiska föreningar i kometer visar att de är gjorda av konserverat material syntetiserat i de yttre regionerna i solnebulosan eller i de tidigare stadierna av solsystembildning.

en stark mångfald observeras i sammansättningen av kometiska atmosfärer. Med undantag för CO presenterar de två dynamiska klasserna av kometer (JFC och OCC) samma kemiska mångfald när det gäller modermolekyler. Huruvida den observerade mångfalden endast härrör från evolutionära processer eller är representativ (åtminstone delvis) av olika bildningsförhållanden för kometenkärnor är fortfarande oklart. Vi förväntar oss att Rosetta-uppdraget hjälper till att hitta svaret på denna grundläggande fråga.

författarens bidrag

D. B.-M. deltog i tolkningen av data och skrev artikeln. N. B. utförde radioobservationsdata och deras analys, tillhandahöll siffror och reviderade artikeln. Båda författarna gav slutligt godkännande för publicering.

konkurrerande intressen

vi förklarar att vi inte har några konkurrerande intressen.

finansiering

vi fick ingen finansiering för denna studie.

fotnoter

ett bidrag från 14 till en diskussionsmötesfråga ‘Cometary science after Rosetta’.