[论文解读] Interstellar Objects in the Solar System: 1. Isotropic Kinematics from the Gaia Early Data Release 3

T. M. Eubanks, Andreas M. Hein+7 more|arXiv (Cornell University)|Mar 4, 2021

Astro and Planetary Science被引用 4

一句话总结

本研究利用盖亚早期数据释放3（Gaia EDR3）的恒星速度分布与引力聚焦模型，预测进入太阳系的星际物体（ISOs）的通量与运动学特性。结果估计每年约有6.9个1I型ISOs在1 AU范围内经过太阳，其中约92%起源于银河系薄盘，而2I型彗星状ISOs则更为稀少，发现频率可能约为每十年一次。

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.

研究动机与目标

• 利用盖亚EDR3的恒星速度分布，建立进入太阳系的星际物体（ISOs）各向同性运动学的模型。
• 基于引力聚焦和本地恒星族数据，估算ISOs的通量与速度分布。
• 确定进入的ISOs的银河系起源（薄盘、厚盘、晕、未束缚），并分析其相对丰度。
• 评估1I型与2I型ISOs的发现率，包括对未来巡天设计与任务可行性的启示。
• 评估探测极低速ISOs的可能性，这些ISOs可能与奥尔特云或奥尔特集团有关。

提出的方法

• 利用盖亚早期数据释放3（Gaia EDR3）的邻近恒星星表，建模本地恒星速度分布。
• 应用标准引力聚焦模型，预测进入太阳系的ISOs的速率随速度变化的通量。
• 基于观测到的1I/‘Oumuamua发现率，假设来自银河系各族群的各向同性注入，估算ISOs的数密度。
• 利用盖亚提供的运动学数据，将ISOs的起源分类为银河系各组成部分（薄盘、厚盘、晕、未束缚）。
• 建立非常低v∞（v∞ ≤ 50 m s⁻¹）ISOs引力捕获概率的模型，特别是针对v∞ ≤ 50 m s⁻¹的物体。
• 通过恒星族的统计分析，为ISOs来自不同银河系组分的概率赋值。

实验结果

研究问题

• RQ1 预测每年有多少1I型星际物体（v∞ > 0）在1 AU范围内进入太阳系？
• RQ2 进入的ISOs中，有多少比例起源于银河系薄盘、厚盘、晕或未束缚群体？
• RQ3 ISOs在无穷远处的速度分布（v∞）如何影响其可探测性与任务可行性？
• RQ4 2I型彗星状ISOs的预期发现率是多少？与1I型物体相比有何差异？
• RQ5 极低速ISOs（v∞ ≲ 1.5 km s⁻¹）更可能是新抵达的星际物体，还是此前丢失的太阳系天体？

主要发现

• 预计每年约有6.9个1I型星际物体（v∞ ≥ 0）在1 AU范围内经过太阳。
• 约92%的进入ISOs预计起源于银河系薄盘，6%来自厚盘，1%来自晕。
• 每世纪最多仅有三个未束缚ISOs，可能源自银河系的喷射或外部星系。
• 2I型彗星状ISOs的数密度估计为~7 × 10⁻⁵ AU⁻³，暗示未来巡天可能每十年发现一次。
• 极低v∞（v∞ ≤ 1.5 km s⁻¹）ISOs的通量极低，因此任何此类物体极有可能是此前丢失的太阳系天体，而非新抵达的ISOs。
• 预计约50%的进入ISOs（v∞ ≤ 50 m s⁻¹）将被太阳引力捕获，提示其可能起源于奥尔特云或奥尔特集团。