[論文レビュー] Mass-loading of the solar wind at 67P/Churyumov-Gerasimenko -- Observations and modelling

E. Behar, Jesper Lindkvist+5 more|arXiv (Cornell University)|May 15, 2018

Astro and Planetary Science参考文献 1被引用数 28

ひとこと要約

本研究は、ロゼッタのインサイトデータとハイブリッドプラズマモデルを用いて、小惑星67P/チュリウモフ＝ゲラシメンコにおける太陽風の質量負荷を調査する。その結果、太陽からの距離が小さくなるにつれて太陽風の偏向が増加し、最大で90°に達することが判明した。一方、減速は最小限（約40 km/s）にとどまり、運動量の伝達が主に偏向によって行われていることが示唆される。この相互作用は核の周囲およそ1000 kmの領域に局在しており、新たにイオン化された水分子がコンベクティブ電場を介して太陽風にエネルギーと運動量を伝達し、主に垂直方向の力が働き、プロトンを著しく減速させることなく偏向させる。

ABSTRACT

Context. The first long-term in-situ observation of the plasma environment in the vicinity of a comet, as provided by the European Rosetta spacecraft. Aims. Here we offer characterisation of the solar wind flow near 67P/Churyumov-Gerasimenko (67P) and its long term evolution during low nucleus activity. We also aim to quantify and interpret the deflection and deceleration of the flow expected from ionization of neutral cometary particles within the undisturbed solar wind. Methods. We have analysed in situ ion and magnetic field data and combined this with hybrid modeling of the interaction between the solar wind and the comet atmosphere. Results. The solar wind deflection is increasing with decreasing heliocentric distances, and exhibits very little deceleration. This is seen both in observations and in modeled solar wind protons. According to our model, energy and momentum are transferred from the solar wind to the coma in a single region, centered on the nucleus, with a size in the order of 1000 km. This interaction affects, over larger scales, the downstream modeled solar wind flow. The energy gained by the cometary ions is a small fraction of the energy available in the solar wind. Conclusions. The deflection of the solar wind is the strongest and clearest signature of the mass-loading for a small, low-activity comet, whereas there is little deceleration of the solar wind.

研究の動機と目的

• 低活動期における小惑星67P/チュリウモフ＝ゲラシメンコ周辺の太陽風の長期的変化を特徴づけること。
• コメットの中性粒子のイオン化によって引き起こされる太陽風の偏向と減速を定量化すること。
• ハイブリッドシミュレーションを用いて太陽風とコメットのハローとの相互作用をモデル化すること。
• コメットのイオンへの運動量およびエネルギー伝達の観点から、観測されたプラズマダイナミクスを解釈すること。
• 他の小形・低活動天体（例えばプレウトゥー）への局所的質量負荷の影響を評価すること。

提案手法

• 67P/CGから1500 kmまでの距離でロゼッタ宇宙船が収集したインサイトイオンおよび磁場データの分析。
• イオンを運動論的に、電子を流体として扱う太陽風-コメット相互作用のハイブリッドプラズマモデリング。
• FLASHコードを用い、ハイブリッドソルバを搭載して太陽風の流れとイオン化プロセスをシミュレート。
• コンベクティブ電場のモデル化と、その役割が新たにイオン化された水分子イオンを太陽風の流れに対して垂直方向に加速すること。
• 観測された偏向角と減速を、シミュレートされた太陽風プロトンの軌道および力と比較。
• 核を中心とする約1000 kmのスケールの領域が、エネルギーと運動量の伝達の中心であると特定。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 67P/チュリウモフ＝ゲラシメンコにおいて、太陽からの距離が減少するにつれて太陽風の偏向はどのように変化するか？
• RQ2 低活動コメットにおける質量負荷の過程で、太陽風はどの程度減速するか？
• RQ3 運動量はどのようにして太陽風からコメットのイオンへと伝達されるのか？
• RQ4 質量負荷の相互作用領域の空間的範囲と構造は何か？
• RQ5 観測されたプラズマダイナミクスは、ハイブリッドモデリングの予測とどのように一致するか？

主な発見

• 太陽からの距離が小さくなるにつれて、太陽風の偏向が顕著に増加し、近日点に近づくと最大で90°に達する。
• 観測された太陽風の減速は最小限であり、太陽からの距離が2.65〜2.2 auの間で約40 km/sと推定される。
• ハイブリッドモデルは観測された偏向の傾向を再現し、質量負荷の主な特徴が減速ではなく偏向であることを確認した。
• エネルギーと運動量は、核を中心とする約1000 kmの局所的領域で太陽風からハローへと伝達される。
• 太陽風プロトンに働く力は、主に流れの方向に対して垂直であり、プロトンのガルバーションと偏向と整合的である。
• モデルは、ピックアップイオンのギロラジウス（約300,000 km）に比べて相互作用領域が小さいことから、偏向が減速を上回る理由を説明している。