[论文解读] Disintegration of Comet C/2012 S1 (ISON) Shortly Before Perihelion: Evidence from Independent Data Sets

Z. Sekanina, R. Kracht|arXiv (Cornell University)|Apr 23, 2014

Astro and Planetary Science参考文献 4被引用 19

一句话总结

本文利用SOHO和STEREO探测器的独立数据，分析了C/2012 S1（ISON）彗星的解体过程，揭示了两个关键事件：在约100 AU处，非晶态冰通过退火作用产生碎石；随后在近日点前一周，发生了一系列快速的爆炸性气体喷发。彗星核在近日点前3.5小时、距离太阳5.2个太阳半径处完全碎裂，所有气体喷发停止，未留下任何活跃碎片。

ABSTRACT

As an Oort Cloud object with a record small perihelion distance of 2.7 Rsun and discovered more than a year before its encounter with the Sun, comet C/2012 S1 is a subject of considerable scientific interest. Its activity along the orbit's inbound leg evolved through a series of cycles. Two remarkable events preserved in SOHO's and/or STEREO's near-perihelion images of its tail were an early massive production of gravel at heliocentric distances of up to ~100 AU, evidently by the annealing of amorphous water ice on and near the nucleus' surface; and, about a week before perihelion, a rapid series of powerful explosions, from the comet's interior, of water with dust at extremely high rates, causing precipitous fragmentation of the nucleus, shattering it into a vast number of sublimating boulders, and ending up, a few days later, with a major, sudden drop in gas emission. The disintegration of the comet was completed by about 3.5 hours before perihelion, at a heliocentric distance of 5.2 Rsun, when C/2012 S1 ceased to exist as an active comet. The orbital motion in this period of time was subjected to progressively increasing outgassing-driven perturbations. A comprehensive orbital analysis results in successfully fitting the comet's observed motion from 2011 to ~7 hours before perihelion.

研究动机与目标

• 利用独立的观测数据集，研究彗星C/2012 S1（ISON）在接近太阳过程中的物理解体机制。
• 确定驱动彗星极端活动与碎裂的机制，特别是升华与喷发力的作用。
• 对影响彗星轨道的非引力加速度进行建模，并评估其与日心距离和挥发性成分的关系。
• 评估彗星解体是由于热应力、升华还是潮汐力所致，并将其行为与其它掠日彗星进行比较。
• 重建质量损失历史与尘埃分布，特别是近日点后彗核的命运与残留碎片的去向。

提出的方法

• 利用地基和空间光学数据（SOHO/C3，STEREO/HI1）构建归一化亮度曲线与随时间变化的H2O生成速率。
• 应用Marcus（2007）的相位校正定律，以统一不同观测者与仪器之间的亮度测量。
• 利用2011年至近日点前约7小时的天体测量观测数据，对轨道进行综合分析，拟合引力与非引力作用力。
• 采用基于Marsden等人（1973）Style II形式的修正非引力定律，调整标度距离以匹配观测到的摄动。
• 利用近日点后C3图像中的截面面积估算与尺寸分布假设，对尘埃喷流形态与升华行为进行建模。
• 评估钠升华与辐射压在近日点附近（尤其在距离小于1 AU时）对非引力加速度的贡献。

实验结果

研究问题

• RQ1 彗星C/2012 S1在近日点前迅速解体的原因是什么？其机制的证据有哪些？
• RQ2 彗星在其向近日点飞行过程中，其活动如何经历多次喷发与碎裂的循环？
• RQ3 非引力力（尤其是挥发性物质升华引起的）在多大程度上改变了彗星的轨道？这种影响如何随日心距离变化？
• RQ4 近日点后幸存碎片的尺寸与成分如何？是否检测到任何活跃碎片？
• RQ5 C/2012 S1的解体行为与其它掠日彗星（如C/2011 W3（Lovejoy）或C/1962 C1（Seki-Lines））相比有何异同？

主要发现

• 彗星核在近日点前3.5小时、日心距离5.2个太阳半径处完全碎裂，未留下任何活跃碎片。
• 在日心距离达约100 AU时，早期质量损失通过非晶态水冰的退火作用以碎石形式发生，可能源于温度低至37 K的热处理。
• 在近日点前一周，一系列强烈的内部爆炸释放出极高流量的水蒸气与尘埃，导致彗核迅速碎裂为正在升华的巨石块。
• 近日点附近的非引力加速度最高可达太阳引力加速度的10⁻²倍，主要由挥发性物质升华引起，钠升华亦为可能的贡献因素。
• 近日点后尘埃云的总截面面积估计不超过50,000 km²，表明幸存碎片尺寸小于约0.25米，可能小至厘米以下。
• 轨道分析证实该彗星起源于奥尔特云，且在4.9 AU以外受到强烈的非引力摄动，标准基于水的非引力定律无法解释近日点后的行为。