[論文レビュー] 1I/`Oumuamua and the Problem of Survival of Oort Cloud Comets Near the Sun

Z. Sekanina|arXiv (Cornell University)|Mar 15, 2019

Solar and Space Plasma Dynamics参考文献 5被引用数 7

ひとこと要約

本稿では、1I/ʻOumuamuaが、明るさが弱くオーツ・クラウドのコメットに似たものと同様に近日点で崩壊するはずの、銀河間コメットの生存断片であると提案している。その根拠は、極度に多孔質であることと、非重力的加速度が観測されていることである。1 AU未満の近日点距離を持つ長周期コメットの高精度な軌道を用いて、近日点距離が0.6 AU未満のオーツ・クラウドのコメットに、生存バイアスが存在することを特定した。このようなコメットは、本来の明るさが弱く、チリが乏しく、近日点で容易に崩壊する傾向がある。本稿では、ボートルの法則に代わる新しい統合的インデックスを導入し、近日点での生存確率を予測する。

ABSTRACT

A 2000-2017 set of long-period comets with high-quality orbits of perihelion distance <1 AU is used to show that the objects that perish shortly before perihelion are nearly exclusively the Oort Cloud comets, especially those with perihelia within 0.6 AU of the Sun, intrinsically fainter, and dust poor. Their propensity for disintegration is much higher than predicted by Bortle's perihelion survival rule, prompting the author to propose a new synoptic index to be tested in future prognostication efforts. By their susceptibility to demise near the Sun, the nuclei of Oort Cloud comets differ dramatically from the nuclei of other long-period comets that almost always survive. In this scenario, `Oumuamua -- discovered after perihelion -- is in all probability a major piece of debris of an interstellar comet that was bound to perish near perihelion if it was similar to, though much fainter than, the known Oort Cloud comets. The nondetection of `Oumuamua by the Spitzer Space Telescope is compatible with optical data for pancake shape, but not for cigar shape, with the maximum dimension not exceeding 160 m (at an 0.1 albedo). Although the solar radiation pressure induced nongravitational acceleration requires very high porosity, `Oumuamua's estimated mass is orders of magnitude greater than for a cloud of unbound submicron-sized dust grains of equal cross section. The acceleration could have displaced `Oumuamua by 250,000 km in 50 days, scattering other potential debris over a large volume of space.

研究の動機と目的

• 2000年から2017年までの高精度な軌道データを用いて、長周期コメットの近日点生存確率を再評価し、従来の研究の限界を克服すること。
• 明るさが弱く近日点距離が小さいコメットの高い崩壊率が、オーツ・クラウドのコメットに特有のものであるのか、それともすべての長周期コメットに共通する性質であるのかを調査すること。
• 1I/ʻOumuamuaが、近日点で崩壊するはずの銀河間コメットの断片であるという仮説を検証すること。
• ボートル（1991年）の法則が、明るさが弱く近日点距離が小さいオーツ・クラウドのコメットに適応できないことに対応するため、近日点生存を予測する新しい統合的インデックスを開発すること。
• 太陽放射圧の下で、1I/ʻOumuamuaの物理的性質（特に多孔質性と質量）を考慮した上で、観測された非重力的加速度を解釈すること。

提案手法

• 近日点距離が1 AU未満で、高精度な軌道要素を持つ長周期コメットの2000年から2017年までのデータセットを分析し、生存率を評価する。
• 近日点距離が0.6 AU未満のコメットの生存行動を比較することで、明るさが弱くチリが乏しいオーツ・クラウドのコメットの特徴的な集団を特定する。
• 最新のデータを用いてボートル（1991年）の近日点生存法則を再検討し、明るさが弱く動的には新しいコメットに対してその妥当性を検証する。
• 1I/ʻOumuamuaに楕円体の形状を仮定し、太陽放射圧の効果を計算する。すべての視点角度について平均化された日光被照射面積を求めるために、楕円体の幾何学的形状を用いる。
• 等方的太陽放射照度下での楕円体の平均投影面積を解析的に導出する。この式は、軸比γと扁平度を考慮する。
• 導出された式を用いて、γの関数としての平均日光被照射面積の割合を計算し、γが6から11の間では常に0.52以上であることを示した。これは、1I/ʻOumuamuaの光曲線の振幅と整合的である。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 明るさが弱く近日点距離が0.6 AU未満の長周期コメット、特にオーツ・クラウドのコメットは、ボートルの生存法則が予測するよりも近日点で著しく高い崩壊率を示すのか？
• RQ2 1I/ʻOumuamuaは、既知のオーツ・クラウドのコメットが近日点で崩壊するのと同じように、銀河間コメットの断片であると最も適切に説明できるのか？
• RQ3 観測された非重力的加速度の物理的解釈は何か？ そして、これにより多孔質性と質量がどのように制約されるのか？
• RQ4 太陽放射圧の下で、1I/ʻOumuamuaの観測された光曲線の振幅は、薄型の形状（パンケーキ型）と整合するのか？ そして、これにより断面積にどのような意味が生じるのか？
• RQ5 等方的太陽放射照度下での楕円体の平均投影面積は何か？ そして、軸比γに従ってどのように変化するのか？

主な発見

• 本研究では、強い生存バイアスが特定された。近日点距離が0.6 AU未満のオーツ・クラウドのコメットは、本来の明るさが弱くチリが乏しく、近日点でほぼ常に破壊される。これはボートルの生存法則に反する。
• 1I/ʻOumuamuaの観測された非重力的加速度は、極めて高い多孔質性を示しており、低密度で多孔質な構造と整合的である。しかし、同じ断面積を持つ未束縛のマイクロメートル未満のチリの雲と比較すると、質量はその何階も大きい。
• 太陽放射圧の効果により、50日間で1I/ʻOumuamuaは最大25万kmのずれを生じさせ、他の破片が広い空間に散らばった可能性がある。
• 軸比γが6から11の間では、扁平な楕円体の平均日光被照射面積は最大面積の0.52 ± 0.01に達する。これは、1I/ʻOumuamuaの光曲線の振幅と一致する。
• 平均投影面積の導出式 ⟨X⟩/πa² = (1/2)[1 + ln(γ + √(γ²−1)) / (γ√(γ²−1))] を用いることで、平均日光被照射面積が常に最大面積の半分以上、かつ完全な面積未満であることが確認された。
• スパッターザの非検出は、パンケーキ型の形状と整合的であるが、最大寸法がアラベド0.1で160 mを超えるとシガラミ型の形状とは整合しない。