[論文レビュー] High-contrast observations of 136108 Haumea. A crystalline water-ice multiple system

Christophe Dumas, B. Carry+2 more|HAL (Le Centre pour la Communication Scientifique Directe)|Jan 11, 2011

Astro and Planetary Science参考文献 38被引用数 15

ひとこと要約

本研究では、VLTのSINFONIを用いた高対比近赤外分光撮像により、ハイアメアおよびその最大衛星であるハイアカの表面が結晶性水氷で覆われていることを確認した。系の軌道力学に起因する潮汐加熱と放射性崩壊加熱が、氷を結晶性状態に保つ可能性のあるエネルギー源として特定されたが、特定の制限された条件下でのみ成立する。

ABSTRACT

Context. The trans-neptunian region of the Solar System is populated by a large variety of icy bodies showing great diversity in orbital behavior, size, surface color and composition. One can also note the presence of dynamical families and binary systems. One surprising feature detected in the spectra of some of the largest Trans-Neptunians is the presence of crystalline water-ice. This is the case for the large TNO (136 108) Haumea (2003 EL61). Aims. We seek to constrain the state of the water ice of Haumea and its satellites, and investigate possible energy sources to maintain the water ice in its crystalline form. Methods. Spectro-imaging observations in the near infrared have been performed with the integral field spectrograph SINFONI mounted on UT4 at the ESO Very Large Telescope. The spectra of both Haumea and its larger satellite Hi'iaka are analyzed. Relative astrometry of the components is also performed, providing a check of the orbital solutions and equinox seasons. Results. We describe the physical characteristics of the crystalline water-ice present on the surface of Haumea and its largest satellite Hi'iaka and analyze possible sources of heating to maintain water in crystalline state: tidal dissipation in the system components vs radiogenic source. The surface of Hi'iaka appears to be covered by large grains of water ice, almost entirely in its crystalline form. Under some restricted conditions, both radiogenic heating and tidal forces between Haumea and Hi'iaka could provide the energy sufficient to maintain the ice in its crystalline state. Based on observations collected at the European SouthernObservatory, Paranal, Chile - 60.A-9235

研究の動機と目的

• 高分解能分光撮像を用いて、ハイアメアおよびその最大衛星ハイアカの水氷の物理的状態を特定すること。
• 潮汐散逸または放射性加熱が、これらの遠方の icy 天体に結晶性水氷が存在するのを説明できるかを評価すること。
• 軌道力学と内部加熱が、太陽系の年齢にわたって結晶性氷を維持する役割を果たす程度を評価すること。
• 観測モデルを用いて、ハイアメア系の自転状態、質量、熱的進化に関する制約を強化すること。
• 表面に亀裂や氷火山活動が存在する場合の局所的潮汐応力による加熱の可能性を調査すること。

提案手法

• VLTのUnit Telescope 4（Yepun）に搭載されたSINFONIを用いて、レーザーガイドスターアダプティブオプティクスを備えた高空間分解能で、近赤外（1.6–2.4 µm）の積分場分光撮像を取得した。
• HバンドおよびKバンドで観測を行い、スペクトル分解能は約1500、視野は3″×3″、1スパイクあたり100 masの解像度を確保した。
• 大気吸収および機器応答を補正するため、標準星HD 142093を用いて校正を実施した。
• スペクトルデータに対してHapkeモデルを適用し、粒子サイズや氷の結晶性といった表面特性を導出した。
• Love数と位相遅れに基づく潮汐エネルギー散逸モデルを用い、エネルギーフラックスは式 $ \dot{E}_{\rm th} = \frac{3}{2} \mathcal{G} m^2 \frac{r^5}{a^6} \Omega k_d \epsilon $ で計算することで、加熱率を推定した。
• 推定された加熱率を、アモルファス氷の結晶化に必要なエネルギー（10⁵–10⁸年間で40–50 K上昇）と比較し、実現可能性を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ハイアメアおよびその衛星ハイアカの表面に存在する水氷の結晶性状態は何か？
• RQ2 ハイアメア系における潮汐散逸が、地質的時間スケールで水氷を結晶性に保つのに十分なエネルギーを供給できるか？
• RQ3 放射性加熱が、衛星に観測された結晶性氷を説明する程度はどの程度か？
• RQ4 ハイアメアとハイアカの間で表面粒子サイズおよび組成にどのような違いがあり、それらが表面処理の履歴に何を示唆するか？
• RQ5 表面の亀裂や氷火山活動に起因する局所的加熱が、結晶性氷の維持に果たす役割は何か？

主な発見

• ハイアカの表面は主に大粒径の結晶性水氷で覆われており、粒子サイズは約20 µmである。これは、ハイアメアと比較して比較的新しく、処理が少ない表面を示している。
• ハイアカ内の潮汐散逸による熱エネルギーは約10⁷ W、ハイアメアは質量が大きいことから、潮汐力によるエネルギーは約5×10⁹ Wに達する。
• 潮汐加熱による温度上昇率は、ハイアメアで3×10⁻¹⁶ K/s、ハイアカで6×10⁻¹⁶ K/sと推定され、均一なエネルギー分布のもとでは20–50億年間で50 K上昇すると考えられる。
• アモルファス氷の結晶化には40–50 Kの温度上昇が必要であり、エネルギー入力および熱的性質に応じて10⁵～10⁸年間で達成可能である。
• 潮汐加熱だけでは、エネルギーが特定の領域に集中しない限り、結晶化を説明するのは不十分である。特に、表面の亀裂や局所的摩擦によってエネルギーが集中する場合に限る。
• 潮汐加熱モデルの精度を高め、氷の結晶化に与える影響を完全に評価するためには、ハイアメアの自転ベクトル、形状、熱的構造に関する制約の改善が必要である。