[논문 리뷰] Cold traps of hypervolatiles in the protosolar nebula at the origin of comet C/2016 R2 (PanSTARRS)'s peculiar composition

O. Mousis, Artyom Aguichine외 5명|arXiv (Cornell University)|2021. 03. 02.

Astro and Planetary Science참고 문헌 2인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 태양계 초기 원시태양운반에서 CO 및 N₂ 얼선 근처의 순수 응결물에서 형성된 콧물 C/2016 R2 (PanSTARRS)가 그 이국적인 높은 N₂/CO 비율과 극도로 낮은 H₂O 농도를 설명한다. 모델은 점성계수(α = 10⁻⁴)가 낮은 10–15 AU 영역에서 응결된 입자들이 콧물의 관측된 비탈성 비율을 재현할 수 있음을 보여주며, 이는 일반 콧물보다 더 차가우고 멀리 떨어진 환경에서 형성되었음을 시사한다.

ABSTRACT

Recent observations of the long period comet C/2016 R2 (PanSTARRS) indicate an unusually high N2/CO abundance ratio, typically larger than 0.05, and at least 2-3 times higher than the one measured in 67P/Churyumov-Gerasimenko. Another striking compositional feature of this comet is its heavy depletion in H2O, compared to other comets. Here, we investigate the formation circumstances of a generic comet whose composition reproduces these two key features. We first envisage the possibility that this comet agglomerated from clathrates, but we find that such a scenario does not explain the observed low water abundance. We then alternatively investigate the possibility that the building blocks of the comet C/2016 R2 (PanSTARRS) agglomerated from grains and pebbles made of pure condensates via the use of a disk model describing the radial transport of volatiles. We show that N2/CO ratios reproducing the value estimated in this comet can be found in grains condensed in the vicinity of the CO and N2 icelines. Moreover, high CO/H2O ratios (>100 times the initial gas phase value) can be found in grains condensed in the vicinity of the CO iceline. If the building blocks of a comet assembled from such grains, they should present N2/CO and CO/H2O ratios consistent with the measurements made in comet C/2016 R2 (PanSTARRS)'s coma. Our scenario indicates that comet C/2016 R2 (PanSTARRS) formed in a colder environment than the other comets that share more usual compositions. Our model also explains the unusual composition of the interstellar comet 2l/Borisov.

연구 동기 및 목표

• 코메트 C/2016 R2 (PanSTARRS)의 이례적인 높은 N₂/CO 비율(~0.06–0.08)과 극도로 낮은 H₂O 농도(H₂O/CO ~0.32%)의 기원을 설명하기 위해
• 낮은 수분 농도를 고려할 때 클라테레이트 형성이 콧물의 특이한 조성을 재현할 수 있는지 조사하기 위해
• 순수 응결 과정을 통해 관측된 비탈성 비율을 유도할 수 있는 원시태양운반 내의 형성 조건을 평가하기 위해
• 이국적 외계 콧물 2I/Borisov의 조성을 설명하기 위해 모델을 확장하기 위해
• 디스크 파ameters와 저장소 질량 비율을 기반으로 R2 유사 콧물과 H₂O 풍부 콧물의 상대적인 형성 가능성 수치화하기 위해

제안 방법

• 기체상 및 고체상(순수 응결물) 상태의 비탈성을 포함한 원시태양운반 디스크 모델을 사용하여 태양으로부터의 반경 방향 이동을 시뮬레이션함.
• CO 및 N₂ 얼선 근처의 다양한 거리에서의 순수 응결물(예: CO, N₂, H₂O 얼음) 형성을 추적함.
• 태양으로부터의 거리(10–15 AU)와 점성계수(α = 10⁻³ 및 10⁻⁴)에 따라 변화하는 곳에서 형성된 고체 입자 내 N₂/CO 및 CO/H₂O 비율을 계산함.
• 두 개의 고리형 저장소에서 H₂O 및 CO 얼음 질량을 비교함: 하나는 CO > H₂O인 R2 유사 콧물 저장소이며, 다른 하나는 원시태양운반의 CO/H₂O 비율을 가진 평균 콧물 저장소.
• 0.1–1 Myr 동안의 시간에 따른 저장소 질량 비율 변화를 시뮬레이션하여 R2 유사 콧물 형성 가능성 평가함.
• 차가운 디스크 영역에서 질소 화학의 안정성을 평가하기 위해 N₂ 차폐 및 광해리 화학의 역할을 평가함.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 낮은 H₂O 농도를 고려할 때, 콧물 C/2016 R2 (PanSTARRS)의 높은 N₂/CO 비율을 클라테레이트 형성으로 설명할 수 있는가?
• RQ2 R2에서 관측된 N₂/CO 비율과 CO/H₂O 비율을 유도하기 위해 원시태양운반 내에서 어떤 물리적 조건이 요구되는가?
• RQ3 원시태양운반 디스크의 점성계수(α)가 R2 유사 콧물과 H₂O 풍부 콧물의 형성 및 질량 비율에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 동일한 형성 메커니즘이 외계 콧물 2I/Borisov의 CO 풍부, H₂O 부족 성질을 설명할 수 있는가?
• RQ5 디스크 질량 저장소와 형성 시간스케일을 기반으로 R2 유사 콧물과 일반적인 H₂O 풍부 콧물의 상대적 형성 가능성은 어떠한가?

주요 결과

• 클라테레이트 형성은 R2의 낮은 H₂O/CO 비율을 설명할 수 없다. 이는 H₂O/CO ≈ 6이 필요하나, 관측된 약 0.32%와 부합하지 않기 때문이다.
• CO 및 N₂ 얼선 근처(10–15 AU)에서 형성된 순수 응결물은 R2에서 관측된 약 0.06–0.08의 N₂/CO 비율을 재현할 수 있다.
• CO 얼선 근처에서 형성된 입자 내 CO/H₂O 비율은 원시태양운반 기체상 비율보다 200배 이상 높을 수 있으며, 이는 R2의 낮은 H₂O 농도와 일치한다.
• α = 10⁻⁴일 경우, R2 유사 콧물과 평균 콧물의 질량 비율은 형성 시기(0.1–1 Myr)에 따라 <1%에서 100%까지 변동 가능하여 디스크 파ameters에 매우 민감함을 시사한다.
• α = 10⁻³일 경우, R2 유사 콧물의 질량은 평균 콧물의 약 1%에 불과하여 고점성 조건에서는 매우 희귀한 형성임을 시사한다.
• 이 모델은 외계 콧물 2I/Borisov의 CO 풍부, H₂O 부족 성질을 설명할 수 있으며, 차가우고 비탈성이 풍부한 디스크 영역에서 공통된 형성 메커니즘이 존재함을 뒷받침한다.