[논문 리뷰] The Spectrum of Pluto, 0.40 - 0.93 $\mu$m I. Secular and longitudinal distribution of ices and complex organics

V. Lorenzi, N. Pinilla-Alonso외 5명|arXiv (Cornell University)|2015. 09. 01.

Astro and Planetary Science참고 문헌 42인용 수 11

한 줄 요약

이 연구는 2014년 6개의 밤 동안 윌리엄 허셜 망원경을 사용하여 플uto의 고해상도 가시광선 스펙트럼(0.40–0.93 µm)을 확보하여 메탄 얼음 흡수 밴드와 복잡한 유기물의 경도 및 장기 변화를 규명하였다. 주요 발견은 모든 메탄 밴드가 블루시프트되어 있으며, 이는 N2 얼음에 대한 CH4의 희석을 시사한다. 최대 시프트는 100°–200° 경도에서 관측되었고, 최소 시프트는 360°에서 관측되어, 가장 희석된 지역에서 CH4 농도가 더 높음을 시사하며, 뉴 호라이즌스의 반사율 지도 및 가까운 적외선 데이터와 일치한다.

ABSTRACT

Context. During the last 30 years the surface of Pluto has been characterized, and its variability has been monitored, through continuous near-infrared spectroscopic observations. But in the visible range only few data are available. Aims. The aim of this work is to define the Pluto's relative reflectance in the visible range to characterize the different components of its surface, and to provide ground based observations in support of the New Horizons mission. Methods. We observed Pluto on six nights between May and July 2014, with the imager/spectrograph ACAM at the William Herschel Telescope (La Palma, Spain). The six spectra obtained cover a whole rotation of Pluto (Prot = 6.4 days). For all the spectra we computed the spectral slope and the depth of the absorption bands of methane ice between 0.62 and 0.90 $\mu$m. To search for shifts of the center of the methane bands, associated with dilution of CH4 in N2, we compared the bands with reflectances of pure methane ice. Results. All the new spectra show the methane ice absorption bands between 0.62 and 0.90 $\mu$m. The computation of the depth of the band at 0.62 $\mu$m in the new spectra of Pluto, and in the spectra of Makemake and Eris from the literature, allowed us to estimate the Lambert coefficient at this wavelength, at a temperature of 30 K and 40 K, never measured before. All the detected bands are blue shifted, with minimum shifts in correspondence with the regions where the abundance of methane is higher. This could be indicative of a dilution of CH4:N2 more saturated in CH4. The longitudinal and secular variations of the parameters measured in the spectra are in accordance with results previously reported in the literature and with the distribution of the dark and bright material that show the Pluto's albedo maps from New Horizons.

연구 동기 및 목표

• 플uto의 표면 조성과 변동성을 연구하기 위해 전체 자전 주기를 커버하는 고품질의 가시광선 스펙트럼 데이터 확보.
• 플uto 표면에서 메탄 얼음과 복잡한 유기물의 경도 및 장기 분포 특성 규명.
• 뉴 호라이즌스 플라이바이를 뒷받침하기 위해 0.40–0.93 µm 범위에서 반사율과 스펙트럼 특성 측정.
• 30 K와 40 K에서 기존에 실험실에서 측정되지 않은 온도 조건에서 0.62 µm에서 메탄 얼음의 라모르 계수 추정.
• 플uto의 스펙트럼 특성을 마케마케와 에리스와 비교하여 표면 얼음과 유기물 함량의 차이를 추론.

제안 방법

• 2014년 5월에서 7월 사이에 4.2m 윌리엄 허셜 망원경의 ACAM 스펙트로그래프를 사용하여 플uto의 6개의 가시광선 스펙트럼 확보.
• 약 50° 간격으로 총 310°의 경도를 커버하였으며, 기술적 문제로 인해 한 번의 관측이 누락됨.
• 스펙트럼 기울기, 메탄 밴드 깊이, 순수 메탄 얼음 대비 중심 파장 이동 계산.
• 관측된 메탄 밴드 이동을 실험실 데이터와 비교하여 CH4:N2 희석 효과 추론.
• 뉴 호라이즌스 MVIC 필터 반응과 평균 플uto 스펙트럼을 컨볼루션하여 우주선 이미징 및 보정 지원.
• 문헌에서 확보한 마케마케와 에리스의 스펙트럼을 활용하여 30 K와 40 K에서의 라모르 계수 추정.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 플uto 표면의 가시광선 범위에서 경도에 따라 스펙트럼 기울기와 메탄 얼음 흡수 밴드는 어떻게 변화하는가?
• RQ2 30 K와 40 K에서 0.62 µm에서 메탄 얼음의 라모르 계수는 얼마이며, 실험실 측정치와 비교해보면 어떠한가?
• RQ3 플uto의 가시광선 스펙트럼에서 메탄 얼음 흡수 밴드는 블루시프트되어 있는가? 이는 CH4-N2 혼합에 대해 어떤 함의를 갖는가?
• RQ4 메탄 밴드 깊이 및 이동의 경도 변화는 플uto의 반사율 지도와 뉴 호라이즌스 관측과 어떻게 관련되어 있는가?
• RQ5 스펙트럼 반사율 기반으로 플uto의 복잡한 유기물 상대 농도는 마케마케와 에리스와 비교해 얼마나 되는가?

주요 결과

• 플uto 스펙트럼의 모든 메탄 얼음 흡수 밴드는 블루시프트되어 있으며, 이는 N2 얼음에 대한 CH4의 희석을 시사한다. 가장 큰 이동은 100°–200° 경도에서 관측된다.
• 360° 경도에서 최소 밴드 이동이 관측되었으며, 이는 메탄 농도가 가장 높은 지역과 일치하여 이 지역에서 CH4:N2 혼합이 더 포화되어 있음을 시사한다.
• 40 K에서 0.62 µm에서 메탄 얼음의 라모르 계수는 2.88×10⁻³ ± 1.23×10⁻³ cm⁻¹로 추정되었으며, 이는 이전에 실험실에서 측정되지 않은 값이다.
• 마케마케의 스펙트럼에서 40 K에서 계수는 2.23×10⁻³ ± 0.85×10⁻³ cm⁻¹였고, 에리스에서는 30 K에서 2.97×10⁻³ ± 1.46×10⁻³ cm⁻¹였으며, 이는 해왕성 외 천체들 사이에서 일관된 스펙트럼 행동을 나타낸다.
• 스펙트럼 기울기 및 메탄 밴드 깊이의 경도 변화는 허블 우주 망원경과 뉴 호라이즌스의 반사율 지도와 위상이 일치하며, 90°에서 가장 빨간색 기울기, 270°에서 가장 적은 빨간색 기울기를 보인다.
• 메탄 얼음 흡수의 일일 진폭은 1980년과 1994년보다 낮으며, 적외선 데이터에서 관측된 장기적인 어두워짐 경향과 일치하여, 등반 지역에서 표면 대비가 낮아지고 있음을 시사한다.