[논문 리뷰] Erosion of Icy Interstellar Objects by Cosmic Rays and Implications for `Oumuamua

Vo Hong Minh Phan, Thiem Hoang외 1명|arXiv (Cornell University)|2021. 09. 09.

Solar and Space Plasma Dynamics참고 문헌 5인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 우주선과 기체 충돌에 의한 얼음 성분 간성 천체(ISOs)의 침식을 조사하여, 급성 우주선 가열이 침식 시간 스케일을 상당히 단축시킨다는 것을 발견하였다. N₂ 조각이 은하간성 매질(ISM)에서 약 0.5 Gyr 동안 생존하기 위해서는 최소한 0.5 km의 初기 반지름을 가져야 하며, 이는 'Oumuamua를 N₂ 빙산으로 설명하기 위한 질량 예산 문제를 더욱 악화시킨다. 특히 고우주선 플럭스 지역에서 형성된 경우 더욱 그렇다.

ABSTRACT

We study the destruction and modification of icy interstellar objects by cosmic rays and gas collisions. Using the cosmic-ray flux measured in the local interstellar medium as well as inferred from gamma-ray observations at the different galactocentric radii, we find that cosmic-ray erosion is significant for interstellar objects made of common types of ices. Interestingly, cosmic-ray heating might destroy icy interstellar objects very efficiently such that the initial size of an N$_2$ fragment as suggested by \citet{jackson2021} to explain the composition of `Oumuamua should be at least 0.5 km in size in order to survive the journey of about 0.5 Gyr in the ISM and might be even larger if it originated from a region with an enhanced cosmic-ray flux. This implies an initial N$_2$ mass that is at least an order of magnitude larger than the final value, exacerbating the N$_2$ mass budget deficiency for explaining `Oumuamua. The erosion time due to cosmic-ray heating and gas collisions also allows us to set approximate limits on the initial size for other types of icy interstellar objects, e.g. composed of CO, CO$_2$, or CH$_4$. For a given initial size, we constrain the maximum distance to the birth site for interstellar objects with different speeds. We also find that cosmic-ray and gas heating could entirely modify the ice structure before destroying interstellar objects.

연구 동기 및 목표

• 은하간성 매질(ISM)을 통과하는 동안 우주선의 급성 가열과 은하간성 기체 충돌이 얼음 성분 간성 천체(ISOs)를 얼마나 침식하는지 평가하기 위해.
• 최신의 우주선 가열에 의한 침식률을 반영하여, N₂ 얼음 조각이 약 0.5 Gyr 동안 ISM에 생존하기 위해 필요한 최소 초깃값을 재평가하기 위해.
• 침식 및 수정 시간 스케일을 기반으로, ISO의 초깃값과 속도를 고려해 태양계에 도달할 수 있는 최대 출생지 거리를 제약하기 위해.
• 우주선과 기체 충돌에 의한 가열이 내부 얼음 구조(예: 비정질체 대 정질체)에 어떻게 영향을 주는지 분석하고, 향후 분광 관측에 미치는 영향을 고려하기 위해.
• 은하중심 위치 등에 따라 변화하는 우주선 플럭스(예: 은하중심 위치에 따라)가 N₂, CO, CO₂ 또는 CH₄ 얼음으로 구성된 ISO의 침식 및 생존 시간 스케일에 미치는 영향을 정량화하기 위해.

제안 방법

• 우주선 플럭스 측정치와 감마선 관측 자료를 사용하여, 지역적 및 은하중심 위치에 따른 우주선 밀도의 변동을 모델링하였으며, 이를 ξ_CR로 매개변수화하였다.
• Hoang & Loeb(2020)의 급성 점 가열 모델을 적용하여, 각 우주선 충격에 의한 에너지 침착을 고려한 얼음 성분 ISO의 침식률을 계산하였다.
• 표면 대 부피 비율 증폭 요소 ε를 사용하여, 우주선 가열과 기체 충돌에 의한 반지름 감소 비율을 통합함으로써 침식 시간 스케일 τ를 유도하였다.
• 우주선과 기체 충돌에 의한 열처리에 기반해 얼음 구조 변화(예: 비정질체에서 정질체 또는 그 반대)에 필요한 수정 시간 스케일 τ_m을 계산하였다.
• 침식 및 수정 시간 스케일을 궤도 파rameter(초기 반지름 R₀, 속도 v_obj)와 결합하여, 태양계에 도달할 수 있는 ISO의 출생지까지의 최대 거리 D_max를 추정하였다.
• 수치 시뮬레이션을 통해, 완전한 파괴 이전의 비정질 얼음의 체적 함량 요소 변화를 추적하여 구조적 수정 정도를 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 우주선 급성 가열을 고려할 때, N₂ 얼음 조각이 은하간성 매질(ISM)에서 약 0.5 Gyr 동안 생존하기 위해 필요한 최소 초깃값은 얼마인가?
• RQ2 일부 은하 영역에서 우주선 플럭스가 증가한 경우(ξ_CR > 1)에, 얼음 성분 ISO의 필요 초깃값과 생존 확률은 어떻게 영향을 받는가?
• RQ3 주어진 초깃값과 속도를 가진 ISO가 오늘날까지 관측될 수 있도록 가능한 출생지까지의 최대 거리는 얼마인가?
• RQ4 우주선과 기체 충돌 가열은 ISO의 내부 얼음 구조에 어떻게 영향을 주며, 분광 관측에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 우주선 가열에 의한 침식 시간이 N₂ 빙산 가설이 'Oumuamua의 성질을 설명하는 데의 타당성에 얼마나 영향을 미치는가?

주요 결과

• 우주선 급성 점 가열에 의한 침식 시간 스케일은 이전 추정보다 1~2개 정도의 주기 짧아졌으며, 이는 얼음 성분 ISO의 파괴 속도가 더 빠르다는 것을 의미한다.
• ε = 3이고 지역적 우주선 플럭스(ξ_CR = 1)를 가정할 경우, N₂ 조각이 약 0.5 Gyr 동안 ISM에 생존하기 위해서는 최소한 0.5 km의 초깃반지름이 필요하며, 이는 N₂의 최소 초깃값 질량을 최소한 한 계급 이상 증가시킨다.
• 만약 우주선 플럭스가 5배 증가하면(ξ_CR = 5), 필요한 초깃값은 더욱 커지며, 'Oumuamua를 설명하기 위한 N₂ 질량 예산 문제를 더욱 악화시킨다.
• 일반적인 얼음(예: N₂, CO, CO₂, CH₄)으로 구성된 ISO의 경우, 0.5 Gyr 동안 생존하기 위해 필요한 최소 초깃값은 출생지와의 거리 및 속도에 따라 0.1 km에서 0.5 km 사이이다.
• R₀ = 0.5 km이고 v_obj ≈ 10 km/s인 N₂ ISO의 경우, 태양계에 도달할 수 있도록 제약된 출생지까지의 최대 거리는 ξ_CR = 1일 때 약 4 kpc, ξ_CR = 5일 때 약 1 kpc이다.
• 우주선과 기체 충돌 가열은 완전한 파괴 이전에 얼음 구조를 완전히 수정할 수 있으며, ε = 3이고 v_obj = 10 km/s인 0.5 km 크기의 N₂ 조각에 대해 수정 시간 스케일 τ_m ≈ 0.17 Gyr, 침식 시간 스케일 τ ≈ 0.58 Gyr이다.