[論文レビュー] Erosion of Icy Interstellar Objects by Cosmic Rays and Implications for `Oumuamua

Vo Hong Minh Phan, Thiem Hoang+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 9, 2021

Solar and Space Plasma Dynamics参考文献 5被引用数 4

ひとこと要約

本稿は、宇宙線およびガス衝突による氷状惑星間物体（ISOs）の侵食を調査し、インパルス的宇宙線加熱が侵食 timescale を顕著に短縮することを明らかにした。ISM内に約0.5 Gyr生存するN₂断片の場合、初期半径が少なくとも0.5 kmである必要がある——これは特に宇宙線フラックスが高い地域で形成された場合、'OumuamuaをN₂アイスベルトとして説明するための質量予算問題を悪化させる。

ABSTRACT

We study the destruction and modification of icy interstellar objects by cosmic rays and gas collisions. Using the cosmic-ray flux measured in the local interstellar medium as well as inferred from gamma-ray observations at the different galactocentric radii, we find that cosmic-ray erosion is significant for interstellar objects made of common types of ices. Interestingly, cosmic-ray heating might destroy icy interstellar objects very efficiently such that the initial size of an N$_2$ fragment as suggested by \citet{jackson2021} to explain the composition of `Oumuamua should be at least 0.5 km in size in order to survive the journey of about 0.5 Gyr in the ISM and might be even larger if it originated from a region with an enhanced cosmic-ray flux. This implies an initial N$_2$ mass that is at least an order of magnitude larger than the final value, exacerbating the N$_2$ mass budget deficiency for explaining `Oumuamua. The erosion time due to cosmic-ray heating and gas collisions also allows us to set approximate limits on the initial size for other types of icy interstellar objects, e.g. composed of CO, CO$_2$, or CH$_4$. For a given initial size, we constrain the maximum distance to the birth site for interstellar objects with different speeds. We also find that cosmic-ray and gas heating could entirely modify the ice structure before destroying interstellar objects.

研究の動機と目的

• 宇宙線のインパルス的スポット加熱およびISM内を移動する過程での惑星間ガス衝突が、氷状ISOの侵食に果たす役割を評価すること。
• 最新の宇宙線加熱による侵食率を踏まえ、ISM内に約0.5 Gyr生存可能なN₂氷断片に必要な最小初期サイズを再評価すること。
• 侵食および改変 timescale を用いて、ISOの初期サイズと速度に基づき、出生地点までの最大距離を制約すること。
• 宇宙線およびガス衝突による加熱が内部氷構造（例：非晶質対結晶）に与える影響を検討し、将来的な分光観測に与える含意を明らかにすること。
• ガクチック中心からの距離に起因する宇宙線フラックスの変動（例：銀河的中心からの距離）が、N₂、CO、CO₂、CH₄氷で構成されるISOの侵食および生存 timescale に与える影響を定量化すること。

提案手法

• 宇宙線フラックス測定値およびガンマ線観測を用いて、局所的および銀河的中心からの変動を考慮した宇宙線密度をモデル化し、ξ_CR でパrameter化した。
• Hoang & Loeb (2020) のインパルス的スポット加熱モデルを適用し、宇宙線衝突によるエネルギー付加を考慮して、氷状ISOの侵食率を計算した。
• 表面対体積強化係数 ε を用いて、宇宙線加熱およびガス衝突による半径減少率を統合し、侵食 timescale τ を導出した。
• 宇宙線およびガス衝突による熱処理に基づき、氷構造変化（例：非晶質から結晶、または逆）のための改変 timescale τ_m を計算した。
• 侵食および改変 timescale を軌道パラメータ（初期サイズ R₀、速度 v_obj）と組み合わせ、太陽系に到達可能なISOの出生地点までの最大距離 D_max を推定した。
• 数値シミュレーションを用いて、完全破壊までの間に非晶質氷の体積充填率の時間的変化を追跡し、構造的改変の程度を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 宇宙線のインパルス的加熱を考慮した場合、ISM内で約0.5 Gyr生存可能なN₂氷断片に必要な最小初期サイズは何か？
• RQ2 特定の銀河的領域で宇宙線フラックスが高くなる（ξ_CR > 1）場合、氷状ISOに必要な初期サイズおよび生存確率にどのような影響を与えるか？
• RQ3 与えられた初期サイズおよび速度を持つISOが、今日まで観測可能であるとすれば、その出生地点までの最大距離は何か？
• RQ4 宇宙線およびガス衝突による加熱がISOの内部氷構造にどのように影響を与え、分光的検出にどのような含意をもたらすか？
• RQ5 宇宙線加熱による侵食 timescale の短縮は、'Oumuamuaの性質を説明するためのN₂アイスベルト仮説の妥当性をどの程度損なうか？

主な発見

• 宇宙線のインパルス的スポット加熱による侵食 timescale は、従来の推定値と比較して1〜2桁短く、氷状ISOの破壊がより速やかに進行することが示唆された。
• ε = 3 および局所的宇宙線フラックス（ξ_CR = 1）を仮定した場合、ISM内で約0.5 Gyr生存するためにはN₂断片の初期半径が少なくとも0.5 kmである必要がある。これは、N₂の初期質量を少なくとも1桁以上増加させる必要があることを意味する。
• 宇宙線フラックスが5倍に増加する（ξ_CR = 5）場合、必要な初期サイズはさらに増大し、'Oumuamuaを説明するためのN₂質量予算問題がさらに深刻化する。
• 一般的な氷（N₂、CO、CO₂、CH₄）で構成されるISOの場合、0.5 Gyr生存に必要な最小初期サイズは、出生地点からの距離および速度に応じて0.1 km〜0.5 kmの間である。
• 初期サイズ R₀ = 0.5 km、v_obj ≈ 10 km/s のN₂ ISOの場合、太陽系に到達可能な出生地点までの最大距離は、ξ_CR = 1 の場合 D_max ≈ 4 kpc、ξ_CR = 5 の場合 D_max ≈ 1 kpc に制限される。
• 宇宙線およびガス衝突による加熱は、完全破壊の前段階で氷構造を完全に改変する可能性がある。非晶質から結晶への変化のための改変 timescale τ_m ≈ 0.17 Gyr、侵食 timescale τ ≈ 0.58 Gyr（ε = 3、v_obj = 10 km/s の0.5 kmのN₂断片）が得られた。