[논문 리뷰] Interstellar Objects in the Solar System: 1. Isotropic Kinematics from the Gaia Early Data Release 3

T. M. Eubanks, Andreas M. Hein외 7명|arXiv (Cornell University)|2021. 03. 04.

Astro and Planetary Science인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 가시성 초기 데이터 배포 3(Gaia EDR3)의 별 속도 분포와 중력 집중 모델을 사용하여 태양계에 진입하는 간행성 간행물(ISO)의 통량과 운동학을 예측한다. 태양으로부터 1 AU 이내에서 연간 약 6.9개의 1I형 ISO가 예측되며, 이 중 약 92%가 은하의 얇은 디스크에서 유래한다. 2I형 혜성형 ISO는 더 드물며, 발견 빈도는 약 10년에 한 번 수준일 것으로 추정된다.

ABSTRACT

1I/'Oumuamua (or 1I) and 2I/Borisov (or 2I), the first InterStellar Objects (ISOs) discovered passing through the solar system, have opened up entirely new areas of exobody research. Finding additional ISOs and planning missions to intercept or rendezvous with these bodies will greatly benefit from knowledge of their likely orbits and arrival rates. Here, we use the local velocity distribution of stars from the Gaia Early Data Release 3 Catalogue of Nearby Stars and a standard gravitational focusing model to predict the velocity dependent flux of ISOs entering the solar system. With an 1I-type ISO number density of $\\sim$0.1 AU$^{-3}$, we predict that a total of $\\sim$6.9 such objects per year should pass within 1 AU of the Sun. There will be a fairly large high-velocity tail to this flux, with half of the incoming ISOs predicted to have a velocity at infinity, v$_{\\infty}$, $>$ 40 km s$^{-1}$. Our model predicts that $\\sim$92\\% of incoming ISOs will be residents of the galactic thin disk, $\\sim$6\\% ($\\sim$4 per decade) will be from the thick disk, $\\sim$1 per decade will be from the halo and at most $\\sim$3 per century will be unbound objects, ejected from our galaxy or entering the Milky Way from another galaxy. The rate of ISOs with very low v$_{\\infty}$ $\\lesssim$ 1.5 km s$^{-1}$ is so low in our model that any incoming very low velocity ISOs are likely to be previously lost solar system objects. Finally, we estimate a cometary ISO number density of $\\sim$7 $\ imes$ 10$^{-5}$ AU$^{-3}$ for 2I type ISOs, leading to discovery rates for these objects possibly approaching once per decade with future telescopic surveys.

연구 동기 및 목표

• Gaia EDR3에서 확보한 별 속도 분포를 활용해 태양계에 진입하는 간행성 간행물(ISO)의 등방성 운동학을 모델링하기 위해.
• 중력 집중과 지역 별 인구 데이터를 기반으로 ISO의 통량과 속도 분포를 추정하기 위해.
• 도착하는 ISO의 은하 기원(얇은 디스크, 두꺼운 디스크, 할로, 비결속)과 상대적 비율을 규명하기 위해.
• 1I형과 2I형 ISO의 발견 빈도를 평가하고, 향후 설문 조사 설계 및 임무 실현 가능성에 대한 함의를 분석하기 위해.
• 매우 낮은 속도를 가진 ISO의 탐지 가능성 평가를 위해, 이는 오르트 구름 또는 오르트 군집과 관련될 수 있음.

제안 방법

• 근처 별의 Gaia 초기 데이터 배포 3 카탈로그를 사용해 지역 별 속도 분포를 모델링한다.
• 표준 중력 집중 모델을 적용하여 태양계에 진입하는 ISO의 속도 의존적 통량을 예측한다.
• 관측된 1I/‘Oumuamua의 발견 빈도를 바탕으로 등방성 주입을 가정하여 ISO의 수밀도를 추정한다.
• Gaia의 운동학 데이터를 활용해 ISO 기원을 은하 성분(얇은 디스크, 두꺼운 디스크, 할로, 비결속)으로 분류한다.
• 특히 v∞ ≤ 50 m s⁻¹인 매우 낮은 속도를 가진 ISO의 중력 포획 가능성을 모델링한다.
• 별 인구의 통계 분석을 통해 다양한 은하 성분에서 기인한 ISO에 대한 확률을 할당한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 v∞ > 0 인 1I형 간행성 간행물이 태양으로부터 1 AU 이내로 진입할 예상 통량은 얼마인가?
• RQ2 도착하는 ISO 중 은하 얇은 디스크, 두꺼운 디스크, 할로, 또는 비결속 인구에서 기인한 비율은 각각 얼마인가?
• RQ3 무한대에서의 속도 분포(v∞)가 ISO의 탐지 가능성과 임무 실현 가능성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 2I형 혜성형 ISO의 예상 발견 빈도는 얼마이며, 1I형 물체와 비교해 볼 때 어떻게 다른가?
• RQ5 매우 낮은 속도를 가진 ISO(v∞ ≲ 1.5 km s⁻¹)는 새로 도착한 간행성 간행물인지, 아니면 이전에 잃어버린 태양계 천체인지 여부를 평가할 수 있는가?

주요 결과

• 매년 태양으로부터 1 AU 이내로 v∞ ≥ 0 인 약 6.9개의 1I형 간행성 간행물이 도래할 것으로 예측된다.
• 도착하는 ISO 중 약 92%가 은하 얇은 디스크에서 기인하며, 두꺼운 디스크에서 기인한 비율은 6%, 할로에서 기인한 비율은 1%이다.
• 최대 연간 3개 이하의 비결속 ISO가 예상되며, 이는 은하수에서 탈출하거나 외부 은하에서 기인한 것으로 보인다.
• 2I형 혜성형 ISO의 수밀도는 약 ~7 × 10⁻⁵ AU⁻³로 추정되며, 향후 설문 조사에서 약 10년에 한 번 수준의 발견 빈도가 가능할 것으로 보인다.
• 매우 낮은 v∞(v∞ ≤ 1.5 km s⁻¹)를 가진 ISO의 통량은 너무 낮아, 이러한 물체들은 새로 도착한 ISO가 아니라 이전에 잃어버린 태양계 천체일 가능성이 높다.
• v∞ ≤ 50 m s⁻¹인 도착하는 ISO 중 약 50%는 태양에 의해 중력 포획될 것으로 예상되며, 이는 오르트 구름 또는 오르트 군집에서 기인할 가능성이 있다.