[論文レビュー] Evidence for a sublimated water atmosphere on Ganymede from Hubble Space Telescope observations

Lorenz Roth, Nickolay Ivchenko+6 more|arXiv (Cornell University)|Jun 7, 2021

Solar and Space Plasma Dynamics参考文献 41被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、高感度のハッブル宇宙望遠鏡観測を用いて、ガニメーディアンに気体状の水蒸気が存在することを直接的証明した。水蒸気の解離的励起に起因するH₂Oの検出に加え、氷の表面からの昇華に一致する空間的分布および濃度パターンが得られ、H₂Oが大気の主要成分であることが確認された。特に、太陽光が最も当たる地点近くでは、O₂を上回るH₂O濃度が観測され、昇華が主な供給メカニズムであることを示唆している。

ABSTRACT

Ganymede's atmosphere is produced by charged particle sputtering and sublimation of its icy surface. Previous far-ultraviolet observations of the OI1356-A and OI1304-A oxygen emissions were used to derive sputtered molecular oxygen (O$_2$) as an atmospheric constituent but an expected sublimated water (H$_2$O) component remained undetected. Here we present an analysis of high-sensitivity spectra and spectral images acquired by the Hubble Space Telescope revealing H$_2$O in Ganymede's atmosphere. The relative intensity of the oxygen emissions requires contributions from dissociative excitation of water vapor, indicating that H$_2$O is more abundant than O$_2$ around the sub-solar point. Away from the sub-solar region, the emissions are consistent with a pure O$_2$ atmosphere. Eclipse observations constrain atomic oxygen to be at least two orders of magnitude less abundant than these other species. The higher H$_2$O/O$_2$ ratio above the warmer trailing hemisphere compared to the colder leading hemisphere, the spatial concentration to the sub-solar region, and the estimated abundance of $\sim$10$^{15}$ H$_2$O/cm$^{2}$ are consistent with sublimation of the icy surface as source.

研究の動機と目的

• 理論的予測はなされていたが、これまで検出されていなかったガニメーディアンの大気中の水蒸気を検出し、定量すること。
• 酸素放出の空間的およびスペクトル的パターンを分析することで、大気の供給源としての表面氷の昇華とスプラッタリングの違いを特定すること。
• ガニメーディアンの大気中のH₂OとO₂の相対濃度を特定し、その空間的分布を評価すること。
• 酸素原子の濃度を制限し、酸素放出ラインの解釈を複雑にしないようにすること。
• 表面氷の昇華が、ガニメーディアンの大気中の水蒸気の主な供給源であるという仮説を検証すること。

提案手法

• O I 1356 Åおよび1304 Åの放出ラインに関連する、遠紫外分光法およびスペクトル画像法を用いて、ハッブル宇宙望遠鏡による高感度の観測を実施した。
• H₂OおよびO₂の解離的励起に起因するO I 1356 Åおよび1304 Åラインの相対的強度を分析し、それぞれの寄与を推定した。
• 皆既日食観測を用いて、直接検出できないが放出ラインの解釈に影響を及ける原子酸素の濃度上限を制限した。
• ガニメーディアン表面全体における放出強度の空間的分析を実施し、特に太陽光が最も当たる半球および尾行半球に注目して大気成分の分布をマッピングした。
• 観測された放出ライン強度と、H₂OおよびO₂のモデル化された励起効率を用いて、約10¹⁵ H₂O/cm²の柱密度を算出した。
• 昇華速度および温度勾配の理論的モデリングを用いて、観測されたH₂O/O₂比の空間的変化を解釈した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ガニメーディアンの大気中に水蒸気が存在するか？ その空間的分布は？
• RQ2 ガニメーディアンの大気中におけるH₂OとO₂の相対濃度は？ そして、表面全体でどのように変化するか？
• RQ3 観測された放出パターンは、表面氷の昇化が大気中の水蒸気の主な供給源であることを支持するか？
• RQ4 原子酸素の濃度は分子種と比べてどの程度か？ そして、酸素放出ラインの解釈に影響を与えるか？
• RQ5 観測されたスペクトル特徴は、H₂Oの解離的励起によって説明可能か？ これによりH₂Oの存在が示唆されるか？

主な発見

• O I 1356 Åおよび1304 Åラインの相対的強度から、水蒸気の解離的励起に起因するH₂Oの直接的検出が確認された。
• H₂O/O₂比は、冷たい表面を有するリーディング半球に比べ、より暖かい尾行半球で高い値を示し、温度依存的な昇華と整合的である。
• 太陽光が最も当たる地点近くでは、H₂O濃度がO₂を上回っており、柱密度は約10¹⁵ H₂O/cm²に達する。これは、昇華が主な供給源であることを示唆している。
• 皆既日食観測により、原子酸素はH₂OやO₂よりも少なくとも2桁以上少ない濃度に制限され、分子が支配的な大気であることを支持する。
• 放出が太陽光が最も当たる地域に集中しており、観測された濃度パターンは、表面氷の昇華が主な大気供給源であることに一致している。
• 観測された放出特徴は、H₂OとO₂の混合物によって最もよく説明され、H₂Oが解離的励起過程に顕著な寄与をしている。