[論文レビュー] A Search for N2+ in Spectra of Comet C/2002C1 (Ikeya-Zhang)

A. L. Cochran|ArXiv.org|Aug 23, 2002

Astro and Planetary Science参考文献 19被引用数 40

ひとこと要約

本研究では、コメット C/2002 C1 (Ikeya-Zhang) のイオン尾に窒素分子イオン（N₂⁺）が存在するかを高分解能および低分解能の分光観測によって調査した。N₂⁺のコメット由来の放射線は検出されなかった。N₂⁺/CO⁺ の上限は 5.4×10⁻⁴ であり、コメット核内の水氷が結晶性であった場合、格子包接による揮発性成分の捕捉が不完全であったことを示唆し、凝縮時における H₂O/H₂ < 2.8× 太陽系 O/H の条件を支持する。

ABSTRACT

We report low- and high-resolution spectra of comet C/2002 C1 (Ikeya-Zhang) from McDonald Observatory. The comet had a well-developed ion tail including CO+, CO2+, CH+, and H2O+. We used our high-resolution spectra to search for N2+. None was detected and we placed upper limits on N2+/CO+ of 5.4 times 10^{-4}. N2+ was detected in the low-resolution spectra but we show that this emission was probably telluric in origin (if cometary, we derive N2+/CO+ = 5.5 times 10^{-3}, still very low). We discuss the implications for the conditions in the early solar nebula of the non-detection of N2+. These depend on whether the H2O ice was deposited in the amorphous or crystalline form. If H2O was deposited in its crystalline form, the detection of CO+ but not N2+ has implications for H2O/H2 in the early solar nebula.

研究の動機と目的

• 高分解能および低分解能分光法を用いて、コメット C/2002 C1 (Ikeya-Zhang) のイオン尾における N₂⁺ の含有量を特定すること。
• N₂⁺ の検出または非検出が、初期の太陽系円盤における窒素化学および氷の形成条件にどのような制約をもたらすかを評価すること。
• 低分解能分光法で観測された N₂⁺ 特徴が、コメット由来のものか、地球大気由来のものかを特定すること。
• N₂⁺/CO⁺ の比が、太陽系円盤内での氷の凝縮時に H₂O/H₂ 比を反映しているという仮説を検証すること、特に結晶性氷沈着モデルにおいて。

提案手法

• 高分解能分光データは、McDonald 観測所の 2dcoudé エッケラ分光計を用いて取得され、分解能 R ≈ 60,000 で、3914Å 付近の N₂⁺ 放射線が他のコメットおよび地球大気由来の放射線から分離された。
• 低分解能分光データは、Large Cassegrain 分光計（R ≈ 550）を用いて取得され、イオン尾における N₂⁺ の存在を評価し、高分解能データと比較した。
• N₂⁺、CO⁺、CN の分光フラックスを、コメット中心からの距離関数として測定し、空間的分布に基づいてコメット由来と地球大気由来の放射線を区別した。
• 地球大気由来の汚染は、スリット全体にわたる 3914Å 特徴の空間的定常性を分析することで評価された。一様なプロファイルは、地球大気由来の可能性を示唆する。
• 蛍光効率モデルおよびバンドヘッド位置を用いて、CO⁺(5,1) および CO₂⁺ バンドによる汚染の可能性を評価した。
• 高分解能データから、コメット由来の N₂⁺ 放射線が検出されなかったものと仮定して、N₂⁺/CO⁺ の上限を導出した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 コメット Ikeya-Zhang の高分解能分光法で N₂⁺ 放射線が検出可能か。また、その含有量は、コメット氷中の窒素化学に何を示唆するか？
• RQ2 Ikeya-Zhang の低分解能分光法で観測された N₂⁺ 特徴は、コメット由来か、地球大気由来か？
• RQ3 N₂⁺/CO⁺ の上限が、初期の太陽系円盤内での氷の凝縮時に H₂O/H₂ 比にどのような制約をもたらすか？
• RQ4 非晶質氷と結晶性氷における揮発性成分の捕捉モデルと比較して、結果はどのように異なるか？
• RQ5 低 H₂O/H₂ 比（太陽系 O/H よりも低い）の条件下で、不完全な格子包接形成が支持されるか？

主な発見

• 高分解能分光法では、コメット由来の N₂⁺ 放射線は検出されず、N₂⁺/CO⁺ の上限は 5.4×10⁻⁴ であった。
• 低分解能分光法で観測された N₂⁺ 特徴は、空間的変化がなく、CO⁺ や CN とは異なり、地球大気由来である可能性が高い。
• もしこの N₂⁺ 特徴がコメット由来であったとしても、N₂⁺/CO⁺ 比は 5.5×10⁻³ に達するが、依然として非常に低く、太陽系円盤内での平衡 N₂/CO 比とは一致しない。
• N₂⁺ の非検出は、H₂O氷が結晶性で堆積され、揮発性成分がハイドレート格子包接に捕らえられたが、不完全な状態であったモデルと整合的である。
• N₂⁺/CO⁺ の上限は、凝縮時における H₂O/H₂ < 2.8× 太陽系 O/H を示唆し、不完全な格子包接形成を支持する。
• 3つのオールト雲コメット（Ikeya-Zhang、deVico、Hale-Bopp）において同様の結果が得られ、結晶性 H₂O氷と不完全な揮発性成分捕捉という共通の形成条件を示唆している。