[논문 리뷰] Evidence of ammonium salts in comet 67P as explanation for the nitrogen depletion in cometary comae

K. Altwegg, H. Balsiger외 15명|arXiv (Cornell University)|2019. 11. 29.

Astro and Planetary Science참고 문헌 36인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 로제타 탐사미션의 ROSINA를 통해 코메트 67P/チュリウモ프＝ゲ라시멘코에서 아질산염이 직접적으로 확인되었음을 제시한다. 이는 코메트의 대기 중 질소 빈도 부족 현상에 대한 오랫동안 미해결이었던 수수께끼를 설명한다. 아질산염은 암모니아와 HCN, 포름산과 같은 산성 물질이 반응하여 형성되며, 물 얼음보다 높은 온도에서 sublimate(昇華)하기 때문에 질소가 고체 형태로 존재함에도 불구하고 기체 상태에서의 질소 농도가 낮게 나타나는 것처럼 보이게 된다.

ABSTRACT

Cometary comae are generally depleted in nitrogen. The main carriers for volatile nitrogen in comets are NH3 and HCN. It is known that ammonia readily combines with many acids like e.g. HCN, HNCO, HCOOH, etc. encountered in the interstellar medium as well as in cometary ice to form ammonium salts (NH4+X-) at low temperatures. Ammonium salts, which can play a significant role in prebiotic chemistry, are hard to detect in space as they are unstable in the gas phase and their infrared signature is often hidden by thermal radiation or by e.g. OH in minerals. Here we report the presence of all possible sublimation products of five different ammonium salts at comet 67P/Churyumov-Gerasimenko measured by the ROSINA instrument on Rosetta. The relatively high sublimation temperatures of the salts leads to an apparent lack of volatile nitrogen in the coma. This then also explains the observed trend of higher NH3/H2O ratios with decreasing perihelion distances in comets.

연구 동기 및 목표

• 알려진 암모니아와 HCN가 존재하는 바에 불구하고 코메트 대기 중 질소 빈도 부족 현상에 대한 오랫동안 미해결이었던 수수께끼를 해결하기 위해.
• 관측된 낮은 기체 상태 질소 농도를 설명할 수 있는 질소 함유 화합물이 코메트 얼음에 존재하는지 확인하고 특성을 규명하기 위해.
• 차가운 행성간 및 코메트 환경에서 암모니아와 산성 물질이 반응하여 형성되는 아질산염이 누락된 질소 저축소(Reservoir)일 수 있는지 조사하기 위해.
• 근일점 거리와 연관된 NH3/H2O 비율 변화 경향을 아질산염의 열적 안정성과 연결하기 위해.
• 질량 분석기를 사용하여 코메트 환경에서 아질산염의 직접적인 현장 증거를 제공하기 위해.

제안 방법

• 로제타 우주선의 ROSINA 기구를 통해 코메트 67P와의 밀접한 통과 기간 동안 수집된 현장 질량 분석 데이터 분석.
• 특징적인 분해 이온 및 동위원소 패atters를 검출하여 아질산염의 sublimate 생성물을 식별하기.
• 후보 아질산염(예: NH4HCOO, NH4CNO, NH4CN, NH4Cl, NH4NO3)의 실험실에서 유도된 열탈착 프로파일과 측정된 이온 농도를 비교하기.
• 온도 의존적 sublimate 모델을 사용하여 검출된 염의 열적 안정성과 방출 행동을 추론하기.
• 해성거리 및 근일점 통과와의 관련성을 통해 열적 진화 영향을 평가하기 위해 염의 농도를 분석하기.
• 15N/14N 비율 등의 동위원소 제약 조건을 적용하여 검출된 물질의 기원과 안정성을 검증하기.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 아질산염은 코메트 얼음에서 형성되어 핵에 그대로 유지되며, 대기 중 질소 빈도 부족 현상을 설명할 수 있는가?
• RQ2 코메트 67P에 존재하는 특정 아질산염은 무엇이며, 그들의 sublimate 온도는 질소 방출 시점에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 근일점 거리와 연관된 관측된 NH3/H2O 농도 비율 변화는 아질산염의 열탈착 행동으로 설명될 수 있는가?
• RQ4 왜 아질산염은 우주에서 감지하기 어려운가? 기체 상태에서의 불안정성에도 불구하고 어떤 특징이 그들의 식별을 가능하게 하는가?
• RQ5 아질산염의 존재는 예측된 기체 상태 질소 농도와 관측된 농도 사이의 괴리 현상을 해소할 수 있는가?

주요 결과

• ROSINA는 코메트 67P의 대기에서 다섯 종류의 다른 아질산염—NH4HCOO, NH4CNO, NH4CN, NH4Cl, NH4NO3—의 sublimate 생성물을 검출하였다.
• 이 염의 존재는 대기 중 질소 빈도 부족 현상을 설명한다. 이들은 물 얼음보다 높은 온도에서 sublimate하기 때문이다.
• 측정된 sublimate 생성물은 아질산염이 코메트의 핵에서 안정해 있으며, 더 높은 태양계 거리에서서야 질소를 방출한다는 것을 시사한다.
• 근일점 거리가 감소함에 따라 증가하는 NH3/H2O 비율의 관측 경향은 이러한 염의 열탈착 행동과 일치한다.
• 아질산염은 코메트 얼음에서 질소의 주요 저축소로 여겨지며, 오랫동안 지속된 질소 농도의 괴리 현상을 해결한다.
• 이 검출 결과는 아질산염이 코메트 얼음에 존재할 수 있으며, 전생물 화학 과정에서 핵심적인 역할을 할 수 있음을 확인한다.