[論文レビュー] Interstellar comet 2I/Borisov as seen by MUSE: C$_2$, NH$_2$ and red CN detections

Michele T. Bannister, Cyrielle Opitom+12 more|arXiv (Cornell University)|Jan 30, 2020

Astro and Planetary Science参考文献 13被引用数 15

ひとこと要約

本研究では、VLTのMUSE積分場分光計を用いた観測により、太陽系外小惑星2I/BorisovでC₂、NH₂、赤色CNの初検出を報告する。C₂/CN生成率比は0.61、NH₂/CN比は2.7であり、炭素鎖のわずかな欠如と、太陽系小惑星と比較して顕著なNH₂の過剰を示しており、宇宙的起源であるにもかかわらず、私たちの近隣小惑星集団と類似した化学的性質を示していることが示唆される。

ABSTRACT

We report the clear detection of C$_2$ and of abundant NH$_2$ in the first prominently active interstellar comet, 2I/Borisov. We observed 2I on three nights in November 2019 at optical wavelengths 4800--9300 Åwith the Multi-Unit Spectroscopic Explorer (MUSE) integral-field spectrograph on the ESO/Very Large Telescope. These data, together with observations close in time from both 0.6-m TRAPPIST telescopes, provide constraints on the production rates of species of gas in 2I's coma. From the MUSE detection on all epochs of several bands of the optical emission of the C$_2$ Swan system, a rich emission spectrum of NH$_2$ with many highly visible bands, and the red (1-0) bandhead of CN, together with violet CN detections by TRAPPIST, we infer production rates of $Q$(C$_2$) = $1.1 imes10^{24}$ mol s$^{-1}$, $Q$(NH$_2$) = $4.8 imes10^{24}$ mol s$^{-1}$ and $Q$(CN) = $(1.8\pm0.2) imes 10^{24}$ mol s$^{-1}$. In late November at 2.03~au, 2I had a production ratio of C$_2$/CN$=0.61$, only barely carbon-chain depleted, in contrast to earlier reports measured further from the Sun of strong carbon-chain depletion. Thus, 2I has shown evolution in its C$_2$ production rate: a parent molecule reservoir has started sublimating. At $Q$(NH$_2$)/$Q$(CN) = 2.7, this second interstellar object is enriched in NH$_2$, relative to the known Solar System sample.

研究の動機と目的

• 2I/Borisov、すなわち太陽系で観測された最初の活動的太陽系外小惑星の揮発性成分を特徴づけること。
• 高分解能可視光分光法を用いて、C₂、NH₂、CNといった主要な小惑星ガスの生成率を特定すること。
• 太陽系小惑星のガス生成率比と比較することで、2I/Borisovの化学的進化を評価すること。
• 2Iの組成が、太陽系に類似した惑星形成円盤に由来するものかどうかを調査すること。

提案手法

• 2019年11月に3晩にわたり、ESOの非常に大きな望遠鏡（VLT）に搭載されたMUSEを用いて、2I/Borisovの深さと高分解能の積分場分光計測を実施した。
• 核からの10弧秒以内のスペクトルを抽出し、空間的混合を最小限に抑え、内側のガス放出域の信号対雑音比を最大化した。
• C₂スワン遷移、NH₂バンド、CNの赤色(1–0)バンドヘッドの発光線を測定し、生成率を導出した。
• CN生成率の妥当性を検証するため、TRAPPIST望遠鏡による同時期の狭帯域フィルター写真測定と分光計測データとを組み合わせた。
• 放射輸送モデリングとラインプロファイルフィッティングを用いて、等方的放出を仮定してC₂、NH₂、CNの生成率Q(X)を導出した。
• C₂/CN比やNH₂/CN比といった生成率比を計算し、2Iの化学的性質を既知の小惑星集団と比較した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 MUSEによる測定で、2I/Borisovのガス放出域におけるC₂、NH₂、CNの生成率はそれぞれどのようになっているか？
• RQ2 2I/BorisovにおけるC₂/CN生成率比は、太陽系小惑星と比較して、炭素鎖の欠如が著しいか、それともやや弱いか？
• RQ3 2I/Borisovは、一般的な太陽系小惑星と比較してNH₂が過剰に蓄積されているとされるが、これはその起源にどのような示唆をもたらすか？
• RQ4 2I/Borisovのガス放出は、近日点接近に伴いどのように変化したのか？ これはその揮発性貯留層の活性化をどのように示唆するか？
• RQ5 2I/Borisovの化学的性質は、太陽系小惑星のそれとどの程度類似しているか？

主な発見

• MUSE観測により、2I/Borisovのガス放出域でC₂スワン遷移、NH₂発光バンド、CNの赤色(1–0)バンドヘッドが明確に検出された。
• C₂の生成率はQ(C₂) = 1.1 × 10²⁴ mol s⁻¹と測定され、親分子の活性な昇華を示している。
• NH₂の生成率はQ(NH₂) = 4.8 × 10²⁴ mol s⁻¹と算出され、大多数の太陽系小惑星と比較して顕著に高い値であった。
• CNの生成率はQ(CN) = (1.8 ± 0.2) × 10²⁴ mol s⁻¹と測定され、赤色および紫色のバンドヘッド測定結果と整合的であった。
• 2.03 auでのC₂/CN生成率比は0.61であり、より遠方の距離での強い炭素鎖欠如報告とは対照的に、やや弱い炭素鎖欠如を示している。
• NH₂/CN生成率比2.7は、2I/Borisovを既知の最もNH₂を多く含む小惑星の一つに位置づけ、太陽系小惑星サンプルの平均値を1.4σ上回っている。