[論文レビュー] Cold traps of hypervolatiles in the protosolar nebula at the origin of comet C/2016 R2 (PanSTARRS)'s peculiar composition

O. Mousis, Artyom Aguichine+5 more|arXiv (Cornell University)|Mar 2, 2021

Astro and Planetary Science参考文献 2被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、原始太陽系ネビュラ内のCOおよびN₂の氷線近辺で純粋な凝縮物から成る小惑星C/2016 R2 (PanSTARRS)が形成されたと提案している。これにより、通常は見られない高いN₂/CO比と極めて低いH₂O含有量が説明できる。モデルは、10–15 AUの領域で低粘性（α = 10⁻⁴）の条件下に凝縮した微粒子が、小惑星の観測された揮発性成分比を再現できることを示しており、通常の小惑星よりも寒冷で遠方の環境で形成された可能性を示唆している。

ABSTRACT

Recent observations of the long period comet C/2016 R2 (PanSTARRS) indicate an unusually high N2/CO abundance ratio, typically larger than 0.05, and at least 2-3 times higher than the one measured in 67P/Churyumov-Gerasimenko. Another striking compositional feature of this comet is its heavy depletion in H2O, compared to other comets. Here, we investigate the formation circumstances of a generic comet whose composition reproduces these two key features. We first envisage the possibility that this comet agglomerated from clathrates, but we find that such a scenario does not explain the observed low water abundance. We then alternatively investigate the possibility that the building blocks of the comet C/2016 R2 (PanSTARRS) agglomerated from grains and pebbles made of pure condensates via the use of a disk model describing the radial transport of volatiles. We show that N2/CO ratios reproducing the value estimated in this comet can be found in grains condensed in the vicinity of the CO and N2 icelines. Moreover, high CO/H2O ratios (>100 times the initial gas phase value) can be found in grains condensed in the vicinity of the CO iceline. If the building blocks of a comet assembled from such grains, they should present N2/CO and CO/H2O ratios consistent with the measurements made in comet C/2016 R2 (PanSTARRS)'s coma. Our scenario indicates that comet C/2016 R2 (PanSTARRS) formed in a colder environment than the other comets that share more usual compositions. Our model also explains the unusual composition of the interstellar comet 2l/Borisov.

研究の動機と目的

• 小惑星C/2016 R2 (PanSTARRS)の通常は見られない高いN₂/CO比（約0.06–0.08）と極めて低いH₂O含有量（H₂O/CO ≈ 0.32%）の起源を説明すること。
• 水の含有量が少ない状況下で、ガス包み（クラタライト）形成が小惑星の特異な組成を再現できるかを検討すること。
• 純粋凝縮プロセスによって、観測された揮発性成分比を実現できる原始太陽系ネビュラ内の形成条件を評価すること。
• 同様のモデルを、COに富みH₂Oが乏しい噴出を示す恒星間小惑星2I/Borisovの組成を説明するために拡張すること。
• ディスクパラメータと貯留源の質量比に基づいて、R2型小惑星とH₂Oを多く含む小惑星が形成される相対的確率を定量化すること。

提案手法

• 原始太陽系ネビュラディスクモデルを用いて、気体相および固体相（純粋凝縮物）の揮発性成分の径方向輸送をシミュレートした。
• 太陽からの距離に応じたCOおよびN₂の氷線近辺での純粋凝縮物（例：CO、N₂、H₂O氷）の形成を追跡し、特にCOおよびN₂の氷線周辺に注目した。
• 太陽からの距離（10–15 AU）および粘性パラメータ（α = 10⁻³および10⁻⁴）の違いに応じて、固体粒子中のN₂/CO比およびCO/H₂O比を計算した。
• CO > H₂O となる領域（R2型小惑星）と、原始太陽系のCO/H₂O比に従う領域（平均的小惑星）の2つの環状貯留源におけるH₂OおよびCO氷の質量を比較した。
• 0.1–1 Myrの時間スケールで、貯留源の質量比の時間的変化をシミュレートし、R2型小惑星が形成される可能性を評価した。
• 冷たいディスク領域における窒素化学の安定性を評価するため、N₂遮断および光分解解離反応の影響を検討した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 水の含有量が少ない状況下で、小惑星C/2016 R2 (PanSTARRS)の高いN₂/CO比は、ガス包み形成によって説明可能か？
• RQ2 R2で観測されたN₂/CO比およびCO/H₂O比を持つ固体を生成するためには、原始太陽系ネビュラ内でどのような物理的条件が必要か？
• RQ3 原始太陽系ディスクの粘性パラメータ（α）が、R2型小惑星とH₂Oを多く含む小惑星の形成および質量比にどのように影響するか？
• RQ4 同じ形成メカニズムが、COに富みH₂Oが乏しい恒星間小惑星2I/BorisovのCOに富んだ、H₂Oが乏しい大気を説明できるか？
• RQ5 ディスクの質量貯留源と形成時間スケールに基づいて、R2型小惑星が通常のH₂Oを多く含む小惑星よりも形成されやすい相対的確率はどの程度か？

主な発見

• ガス包み形成では、R2の低H₂O/CO比（H₂O/CO ≈ 6）を再現できない。これは観測値（約0.32%）と整合しない。
• COおよびN₂の氷線（10–15 AU）付近で形成された純粋凝縮物は、R2で観測されたN₂/CO比（約0.06–0.08）を再現可能である。
• CO氷線近辺で形成された粒子のCO/H₂O比は、原始太陽系の気体相比を200倍以上上回り、R2の低H₂O含有量と整合的である。
• α = 10⁻⁴の場合、R2型小惑星と平均的小惑星の質量比は、形成時刻（0.1–1 Myr）に応じて1%未満から100%まで変動し、ディスクパラメータに極めて敏感であることが示された。
• α = 10⁻³の場合、R2型小惑星の質量は平均的小惑星の約1%にとどまり、高粘性条件下では非常にまれであることが示された。
• このモデルは、恒星間小惑星2I/BorisovのCOに富みH₂Oが乏しい大気をも説明でき、冷たく揮発性成分に富んだディスク領域で共通の形成メカニズムが働く可能性を支持している。