[論文レビュー] Interstellar Objects in the Solar System: 1. Isotropic Kinematics from the Gaia Early Data Release 3

T. M. Eubanks, Andreas M. Hein+7 more|arXiv (Cornell University)|Mar 4, 2021

Astro and Planetary Science被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、ガイヤーEDR3の星の速度分布と重力的焦点化モデルを用いて、太陽系に進入する恒星間オブジェクト（ISO）のフラックスと運動学を予測する。1 AU以内に1年間で約6.9個の1I型ISOが予想され、そのうち約92％が銀河の薄いディスクから来ている。2I型の彗星的ISOはよりまれで、発見頻度は10年に1回程度である可能性がある。

ABSTRACT

1I/'Oumuamua (or 1I) and 2I/Borisov (or 2I), the first InterStellar Objects (ISOs) discovered passing through the solar system, have opened up entirely new areas of exobody research. Finding additional ISOs and planning missions to intercept or rendezvous with these bodies will greatly benefit from knowledge of their likely orbits and arrival rates. Here, we use the local velocity distribution of stars from the Gaia Early Data Release 3 Catalogue of Nearby Stars and a standard gravitational focusing model to predict the velocity dependent flux of ISOs entering the solar system. With an 1I-type ISO number density of $\\sim$0.1 AU$^{-3}$, we predict that a total of $\\sim$6.9 such objects per year should pass within 1 AU of the Sun. There will be a fairly large high-velocity tail to this flux, with half of the incoming ISOs predicted to have a velocity at infinity, v$_{\\infty}$, $>$ 40 km s$^{-1}$. Our model predicts that $\\sim$92\\% of incoming ISOs will be residents of the galactic thin disk, $\\sim$6\\% ($\\sim$4 per decade) will be from the thick disk, $\\sim$1 per decade will be from the halo and at most $\\sim$3 per century will be unbound objects, ejected from our galaxy or entering the Milky Way from another galaxy. The rate of ISOs with very low v$_{\\infty}$ $\\lesssim$ 1.5 km s$^{-1}$ is so low in our model that any incoming very low velocity ISOs are likely to be previously lost solar system objects. Finally, we estimate a cometary ISO number density of $\\sim$7 $\ imes$ 10$^{-5}$ AU$^{-3}$ for 2I type ISOs, leading to discovery rates for these objects possibly approaching once per decade with future telescopic surveys.

研究の動機と目的

• ガイヤーEDR3の星の速度分布を用いて、太陽系に進入する恒星間オブジェクト（ISO）の等方的運動学をモデル化すること。
• 重力的焦点化と局所星の集団データに基づいて、ISOのフラックスと速度分布を推定すること。
• 到着するISOの銀河的起源（薄いディスク、厚いディスク、ハロー、非束縛）を特定し、それらの相対的割合を評価すること。
• 1I型および2I型ISOの発見頻度を評価し、今後の調査計画およびミッションの実現可能性に与える影響を検討すること。
• 非常に低速度のISO（v∞ ≲ 1.5 km s⁻¹）を検出する可能性を評価すること。特に、オールト雲やオールトグループに関連する可能性がある。

提案手法

• ガイヤーEDR3の近隣星カタログを用いて、局所星の速度分布をモデル化する。
• 標準的な重力的焦点化モデルを適用し、太陽系に進入するISOの速度依存的フラックスを予測する。
• 観測された1I/‘Oumuamuaの発見頻度を仮定し、銀河的集団からの等方的注入を想定してISOの数密度を推定する。
• ガイヤーの運動学的データを用いて、ISOの起源を銀河的構成要素（薄いディスク、厚いディスク、ハロー、非束縛）に分類する。
• 特にv∞ ≤ 50 m s⁻¹の非常に低速度のISOの重力的捕獲確率をモデル化する。
• 星の集団の統計的分析を用いて、ISOが異なる銀河的構成要素から来ている確率を割り当てる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 1 AU以内にv∞ > 0 の1I型恒星間オブジェクトが太陽系に到達する予想フラックスは何か？
• RQ2 到着するISOのうち、銀河の薄いディスク、厚いディスク、ハロー、または非束縛集団から来ている割合はどれくらいか？
• RQ3 無限遠におけるISOの速度分布（v∞）は、その検出可能性およびミッションの実現可能性にどのように影響するか？
• RQ4 2I型の彗星的ISOの予想発見頻度は何か？1I型オブジェクトと比較するとどうなるか？
• RQ5 非常に低速度のISO（v∞ ≲ 1.5 km s⁻¹）は、新たに到着した恒星間オブジェクトであるか、それとも以前に失われた太陽系の天体である可能性が高いか？

主な発見

• 1年間に約6.9個の1I型恒星間オブジェクト（v∞ ≥ 0）が太陽の1 AU以内を通過すると予想される。
• 到着するISOの約92％が銀河の薄いディスク由来と予想され、6％が厚いディスク、1％がハロー由来である。
• 1世紀に最大3個の非束縛ISOが予想されるが、これは銀のミルキーウェイから打ち出されたか、外部銀河からのものである可能性が高い。
• 2I型の彗星的ISOの数密度は約7 × 10⁻⁵ AU⁻³と推定され、今後の調査で10年に1回程度の発見頻度が予想される。
• 非常に低v∞のISO（v∞ ≤ 1.5 km s⁻¹）のフラックスは極めて低いため、それらの物体は新たに到着したISOではなく、もともと失われた太陽系の天体である可能性が高い。
• v∞ ≤ 50 m s⁻¹の到着するISOの約50％が太陽の重力的捕獲を受けると予想され、これはオールト雲やオールトグループ由来である可能性を示唆している。