[論文レビュー] Non-Gravitational Forces and Spin Evolution of Comets

Roman R. Rafikov|arXiv (Cornell University)|Sep 13, 2018

Astro and Planetary Science参考文献 2被引用数 5

ひとこと要約

本稿では、コメットの非重力的加速度とスピン周期の変化の間に線形相関を提案し、次元なしのレバーアームパラメータ ζ を介してそれらを結びつける。7個のコメットについてスピン周期の変化と非重力的加速度が測定されており、log ζ = −2.21 ± 0.54 が得られた。この関係を209個のコメットに適用し、大幅なスピンアップを示す可能性の高いものを特定した。その結果、回転破壊が主要な破壊機構であることが示唆され、ζ ≥ 10⁻³ であると判明した。

ABSTRACT

Motion of many comets is affected by non-gravitational forces caused by outgassing from their surfaces. Outgassing also produces reactive torques resulting in cometary spin evolution. We propose that the two processes are correlated and show that the change of cometary spin rate over its heliocentric orbit scales linearly with the amplitude of its non-gravitational acceleration. The proportionality constant depends on the comet size and orbital elements (semi-major axis and eccentricity) and on the (dimensionless) lever arm parameter $ζ$ that relates the outgassing-induced torque and acceleration. We determine $ζ$ for 7 comets for which both non-gravitational acceleration and change of spin period $ΔP$ were measured and verify this relation. This sample spanning almost 4 decades in $ΔP$ yields $\logζ=-2.21\pm 0.54$, surprisingly small value and spread. We then apply our framework to 209 comets with measured non-gravitational accelerations and determine the objects most likely to exhibit large spin period changes, $ΔP\gtrsim 20$ min per orbit assuming rotation period of 10 hr and $ζ$ comparable to our control sample. These objects should be primary targets for future studies of cometary spin variability, further constraining distribution of $ζ$. Lack of comets with very high expected spin rate changes (which is not equivalent to having the highest non-gravitational acceleration) suggests that (1) cometary fission due to outgassing-driven spin-up must be an important process and (2) the distribution of $ζ$ has a lower limit $\sim 10^{-3}$.

研究の動機と目的

• 非重力的加速度とコメットのスピン進化との間の直接的な物理的関連を確立すること。
• 非重力的トルクと加速度を結ぶレバーアームパラメータ ζ を特定すること。
• 将来の観測ターゲットとしての、大きなスピン周期変化を示す可能性の高いコメットを特定すること。
• 観測されたスピン変動を用いて ζ の分布を制約し、コメットの破壊に与える影響を評価すること。

提案手法

• スピン周期の変化と非重力的加速度の間のヒューリスティックな線形関係を、ζ でパラメータ化して導出する。
• 7個のコメットについて観測されたスピン周期の変化と非重力的加速度を用いて ζ をキャリブレーションする。
• キャリブレーションされた ζ 関係を、非重力的加速度が測定済みの209個のコメットのサンプルに適用する。
• ζ = 1 の仮定のもとで ΔΩ₁（1軌道あたりのスピン速度変化）を定義し、ターゲット選定のための潜在的なスピンアップを評価する。
• 回転破壊基準（P_crit = 1 時間）を用いて、観測された高スピンアップコメットの欠如から ζ の下限を推定する。
• 生存バイアスを評価：非常に高い ΔΩ₁ を示すコメットが観測されていないことから、ζ ≥ 10⁻³ であると推測される。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 コメットにおいて、非重力的加速度とスピン周期の変化との間に測定可能な相関が存在するか？
• RQ2 トルクと加速度を結ぶレバーアームパラメータ ζ の値とその分布は何か？
• RQ3 どのコメットが1軌道あたりに著しいスピン周期の変化を示す可能性があるか？
• RQ4 高非重力的加速度があるにもかかわらず、なぜ極めて高いスピンアップ率を示すコメットが観測されていないのか？
• RQ5 このようなコメットの欠如が、ζ の最小値にどのような制約をもたらすか？

主な発見

• 7個のコメットを用いた検証により、スピン周期の変化と非重力的加速度の間の線形関係が裏付けられ、log ζ = −2.21 ± 0.54 が得られた。
• 推定された ζ の値は驚くほど小さく、広がりがあることから、有効レバーアームが低いことが示唆された。
• 209個のコメットの中で、何十ものコメットが1軌道あたり1時間程度のスピン周期変化を示すと予測された。
• 数個のコメットは急速なスピンアップにより回転破壊の危険性を示しており、これが主要な破壊経路であることが示された。
• スピンアップ率が非常に高いコメット（ΔΩ₁ > 1 s⁻¹）が観測されていないことから、ζ に下限値 ∼10⁻³ があると推測された。
• 回転破壊による生存バイアスが、非常に低い ζ を持つ物体の検出を抑制している可能性があり、これが観測された ζ の小さな値を説明している。