[論文レビュー] The 2019 Discovery of a Meteor of Interstellar Origin

Amir Siraj, Abraham Loeb|arXiv (Cornell University)|Apr 15, 2019

Astro and Planetary Science参考文献 3被引用数 9

ひとこと要約

本論文は、米国政府のセンサーデータとN体シミュレーションを用いて、CNEOS 2014-01-08として知られる最初の確認された恒星間メテオの検出を報告している。このメテオは、99.999%の信頼水準で非束縛であり、恒星間速度は42.1 ± 5.5 km/sであった。この発見は、力の法則に従う衝突的サイズ分布（q ≈ 3.6 ± 0.5）を支持しており、600台の全天カメラネットワークの構築を提案し、恒星間メテオライトの分光分析と回収を可能にする。

ABSTRACT

The earliest confirmed interstellar object, `Oumuamua, was discovered in the Solar System by Pan-STARRS in 2017, allowing for a calibration of the abundance of interstellar objects of its size $\sim 100\;$ m. This was followed by the discovery of Borisov, which allowed for a similar calibration of its size $\sim 0.4 - 1 \mathrm{\; km}$. One would expect a much higher abundance of significantly smaller interstellar objects, with some of them colliding with Earth frequently enough to be noticeable. Based on the CNEOS catalog of bolide events, we identify the $\sim 0.45$m meteor detected at 2014-01-08 17:05:34 UTC as originating from an unbound hyperbolic orbit with 99.999\% confidence. The U.S. Department of Defense has since verified that "the velocity estimate reported to NASA is sufficiently accurate to indicate an interstellar trajectory." We infer that the meteor had an asymptotic speed of $v_{\infty} \sim 42.1 \pm 5.5\; \mathrm{km \; s^{-1}}$ outside of the solar system. Its origin is approximately towards R.A. $49.4 \pm 4.1^{\circ}$ and declination $11.2 \pm 1.8^{\circ}$, implying that its initial velocity vector was $58\pm6\; \mathrm{km\;s^{-1}}$ away from the velocity of the Local Standard of Rest (LSR). Its high LSR speed implies a possible origin from the deep interior of a planetary system or a star in the thick disk of the Milky Way galaxy. The local number density of its population is $10^{6{^{+0.75}_{-1.5}}} \; \mathrm{AU^{-3}}$ or $9 imes 10^{21{^{+0.75}_{-1.5}}} \; \mathrm{pc^{-3}}$ (necessitating 0.2 -- 20 Earth masses of material to be ejected per local star). We show that the detections of CNEOS 2014-01-08, `Oumuamua, and Borisov collectively imply that the differential size distribution in good agreement with a collisional distribution, with a power-law slope is $q \sim 3.6 \pm 0.5$, where the quoted uncertainty corresponds to $2 σ$.

研究の動機と目的

• 2014年に検出された小さなメテオの恒星間起源を、米国政府のセンサーから得られた高精度な速度データを用いて確認すること。
• CNEOS 2014-01-08、'Oumuamua、Borisovのデータを統合し、恒星間天体の人口密度とサイズ分布を補正すること。
• 大気中での分光分析とサンプル回収を用いた恒星間メテオの組成を研究する新しい研究分野を確立すること。
• 5 cm以上の大きさの恒星間メテオを検出・追跡できる、スケーラブルな観測戦略を、全天カメラネットワークを用いて提言すること。
• 深宇宙ミッションなしで、他の太陽系の物質を直接分析することを可能にすること。

提案手法

• CNEOSカタログを用い、2014-01-08の爆発的流星（ボリデ）イベントを、衝突時の太陽系中心速度が約60 km/sという極めて高い速度から同定した。
• REBOUNDを用い、IAS15の適応的時間ステップ積分法を用いて、太陽系重力下でのメテオの軌道を逆方向にN体統合して再構築した。
• CNEOSデータベースから得た地理的速度ベクトルと軌道要素を用い、メテオの漸近的速さ（v∞）と恒星間起源を補正した。
• 軌道離心率と双曲的超過速度に基づき、99.999%の信頼水準を基準に、恒星間起源の確率を定量化した。
• このような天体の局所的数密度を10⁶⁺⁰.⁷⁵⁻¹.⁵ AU⁻³、または9×10²¹⁺⁰.⁷⁵⁻¹.⁵ pc⁻³と推定し、1つの局所的星あたり顕著な質量放出が発生している可能性を示唆した。
• 5 cm以上の大きさのメテオを追跡し、遠隔分光分析を実施し、組成分析のためのメテオライト回収を可能にする、約600台の全天カメラシステムのネットワークを提言した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 観測された速度と軌道を踏まえて、2014-01-08のメテオが太陽系外から起源を持つ確率は何か？
• RQ2 恒星間天体のサイズ分布はどのようなものか？また、衝突的平衡モデルに従うか？
• RQ3 燃焼中の恒星間メテオの大気分光分析は、太陽系物質とは異なる化学的組成や同位体比を特定できるか？
• RQ4 同程度の大きさの恒星間メテオが地球に衝突する予想頻度は何か？また、今後の調査でそれを事前に検出するにはどうすればよいか？
• RQ5 GaiaとLSSTのデータを用いて、恒星間メテオの軌道をその母星系にまで遡ることができるか？

主な発見

• 2014-01-08のメテオは、恒星間起源である可能性が99.999%の信頼水準で確認され、太陽系外での漸近的速さは42.1 ± 5.5 km/sであった。
• このメテオの速度ベクトルは、局所標準運動から58 ± 6 km/sのずれを示しており、厚いディスクや惑星系の深部からの起源を示唆している。
• このような天体の局所的数密度は10⁶⁺⁰.⁷⁵⁻¹.⁵ AU⁻³、または9×10²¹⁺⁰.⁷⁵⁻¹.⁵ pc⁻³と推定され、1つの局所的星あたり0.2～20地球質量の物質が放出されている可能性を示唆している。
• 恒星間天体の微小サイズ分布は、衝突的モデルと整合的であり、べき乗則の勾配はq ≈ 3.6 ± 0.5であった。
• 地球の生涯にわたる観測頻度と地球の年齢に基づき、少なくとも4.5×10⁸件の同程度の大きさの恒星間ボリデイベントが地球に発生したと推定された。
• 約600台の全天カメラシステムのネットワークを構築すれば、恒星間メテオライトの検出、分光分析、さらには初の回収が可能になる。