[논문 리뷰] TNOs are Cool: A survey of the trans-Neptunian region. VIII. Combined Herschel PACS and SPIRE observations of 9 bright targets at 70--500 micron

S. Fornasier, E. Lellouch외 18명|arXiv (Cornell University)|2013. 05. 02.

Astro and Planetary Science참고 문헌 6인용 수 72

한 줄 요약

이 연구는 70–500 μm 범위의 복합 허셜 패시스(PACS) 및 스피어(SPIRE) 광도 측정을 통해 구름성 천체 및 켄타우르로로 알려진 아홉 개의 밝은 해왕성 외부 천체와 중심행성 하우메아(Haumea) 및 이중성 시스템인 케오아르/웨이위트(Quaoar/Weywot), 오르쿠스/반스(Orcus/Vanth), 살라시아/아테아(Salacia/Actea)의 열적 성질, 크기, 반사율, 밀도를 도출한다. 주요 결과로는 케오아르의 밀도(2.18 g/cm³)가 플루토와 하우메아와 유사하게 얼음과 내구성 물질이 혼합된 천체의 특성과 일치하며, 이는 이전에 보고된 높은 밀도 추정치에 도전하는 바이다.

ABSTRACT

Transneptunian objects (TNOs) are bodies populating the Kuiper Belt and they are believed to retain the most pristine and least altered material of the solar system. The Herschel Open Time Key Program entitled "TNOs are Cool: A survey of the trans-Neptunian region" has been awarded 373 h to investigate the albedo, size distribution and thermal properties of TNOs and Centaurs. Here we focus on the brightest targets observed by both the PACS and SPIRE multiband photometers: the dwarf planet Haumea, six TNOs (Huya, Orcus, Quaoar, Salacia, 2002 UX25, and 2002 TC302), and two Centaurs (Chiron and Chariklo). Flux densities are derived from PACS and SPIRE instruments using optimised data reduction methods. The spectral energy distribution obtained with the Herschel PACS and SPIRE instruments over 6 bands (centred at 70, 100, 160, 250, 350, and 500 $μ$m), and with Spitzer-MIPS at 23.7 and 71.4 $μ$m has been modelled with the NEATM thermal model in order to derive the albedo, diameter, and beaming factor. For the Centaurs Chiron and Chariklo and for the 1000 km sized Orcus and Quaoar, a thermophysical model was also run to better constrain their thermal properties. We derive the size, albedo, and thermal properties, including thermal inertia and surface emissivity, for the 9 TNOs and Centaurs. Several targets show a significant decrease in their spectral emissivity longwards of $\sim$300 $μ$m and especially at 500 $μ$m. Using our size estimations and the mass values available in the literature, we also derive the bulk densities for the binaries Quaoar/Weywot (2.18$^{+0.43}_{-0.36}$ g/cm$^3$), Orcus/Vanth (1.53$^{+0.15}_{-0.13}$ g/cm$^3$), and Salacia/Actea (1.29$^{+0.29}_{-0.23}$ g/cm$^3$). Quaoar's density is similar to that of the other dwarf planets Pluto and Haumea, and its value implies high contents of refractory materials mixed with ices.

연구 동기 및 목표

• 원거리 적외선 데이터를 활용하여 가장 밝은 천왕성 외부 천체(TNO) 및 켄타우르로의 크기, 반사율, 열적 성질을 규명한다.
• 다중 파장 스펙트럼 에너지 분포(SED) 모델링을 통해 TNO 및 켄타우르로의 열적 관성 및 표면 방출율을 제약한다.
• 관측된 지름과 문헌상 질량 추정치를 활용하여 이중성 시스템의 밀도를 유도한다.
• 서브 밀리미터 방출율 행동과 그 표면 조성 및 열적 구조에 대한 함의를 조사한다.
• 허셜 및 광학 데이터를 활용하여 켄타우르로 천체 치론(Chiron)과 카리클로(Chariklo)의 활성화 여부를 평가한다.

제안 방법

• 70, 100, 160, 250, 350, 500 μm에서 허셜 패시스(PACS) 및 스피어(SPIRE) 광도 측정의 최적화된 데이터 처리.
• 직경, 반사율, 비율 인자(beam factor)를 유도하기 위해 NEATM 열 모델을 활용한 스펙트럼 에너지 분포(SED) 모델링.
• 더 큰 천체(예: 오르쿠스, 케오아르)의 경우 열역학적 모델(TPM)을 적용하여 열적 관성 및 표면 거칠기를 보다 정밀하게 제약한다.
• 더 나은 SED 피팅을 위해 스피처-MIPS(23.7, 71.4 μm) 및 와이즈(WISE, 11.6, 22.1 μm) 데이터를 통합한다.
• 표면 방출율 및 열적 성질에 대한 다양한 가정 하에 NEATM 및 TPM 모델을 활용하여 크기 및 반사율 추정치를 도출한다.
• 관측된 방출율 경향을 이론적 얼음 흡수 특성과 비교하여 표면 조성 및 표면 이하 열 행동을 추론한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 관측된 아홉 개의 가장 밝은 TNO 및 켄타우르로의 열적 성질, 즉 열적 관성 및 표면 방출율은 무엇인가?
• RQ2 유도된 지름과 기하 반사율은 이전 추정치와 어떻게 비교되며, 이는 표면 조성에 어떤 함의를 지닌다?
• RQ3 이중성 시스템인 케오아르/웨이위트, 오르쿠스/반스, 살라시아/아테아의 밀도는 얼마이며, 이는 내부 조성에 대해 무엇을 드러내는가?
• RQ4 250 μm 이상의 파장에서 방출율이 상당히 감소하는 이유는 무엇이며, 이는 표면 이하 열 방출에 어떤 함의를 지닌다?
• RQ5 켄타우르로 천체 치론과 카리클로에서 복사 활성화의 증거가 있는가, 그리고 먼지 생산률에 대한 제약 조건은 무엇인가?

주요 결과

• 케오아르의 지름은 1070 ± 38 km이며, 위성인 웨이위트의 지름은 81 ± 11 km이고, 기하 반사율은 12.7 ± 1 %이다.
• 케오아르/웨이위트 이중성 시스템의 밀도는 2.18 g/cm³이며, 90% 신뢰구간은 1.82–2.61 g/cm³이다. 이는 내구성 물질이 얼음과 혼합된 높은 비율의 구성 성분을 지닌다는 것을 시사한다.
• 오르쿠스/반스 시스템의 주성 지름은 917 ± 25 km, 위성 지름은 276 ± 17 km이며, 기하 반사율은 23.1 +1.8/-1.1 %로, 플루티노 평균보다 높다.
• 오르쿠스/반스 시스템의 밀도는 1.53 g/cm³이며, 90% 신뢰구간은 1.39–1.68 g/cm³이다. 이는 얼음과 암석의 혼합체와 일치한다.
• 살라시아/아테아 이중성 시스템의 밀도는 1.29 g/cm³이며, 90% 신뢰구간은 1.06–1.58 g/cm³이다. 이는 다공성 또는 얼음 성분이 풍부한 조성을 시사한다.
• 대부분의 목표 천체에서 250 μm 이상의 파장에서 방출율이 상당히 감소하며, 특히 500 μm에서 두드러진다. 이는 스피어가 더 깊고 차가운 표면 이하 층을 탐측하고 있음을 의미하며, 얼음 내 불순물로 인한 증가된 서브 밀리미터 흡수를 시사한다.