[论文解读] New Post-DART Collision Period for the Didymos System: Evidence for Anomalous Orbital Decay

Taylor Gudebski, Elisabeth Heldridge+4 more|arXiv (Cornell University)|Aug 22, 2023

Astro and Planetary Science被引用 5

一句话总结

本研究基于塔切尔天文台的新光度观测，揭示了迪迪莫斯双小行星系统在DART任务后周期变化的测量结果，ΔP = -34.2 ± 0.1 分钟，与先前测量值存在3.5σ的偏差。该结果表明存在无法用已知机制解释的异常轨道衰减，对近地双小行星系统撞击后动力学的现有模型构成挑战。

ABSTRACT

On September 26, 2022, NASA's DART spacecraft impacted Dimorphos, the secondary asteroid in the (65803) Didymos system, so that the efficiency with which a satellite could divert an asteroid could be measured from the change in the system's period. We present new data from the Thacher Observatory and measure a change in period, $ΔP = -34.2 \pm 0.1$ min, which deviates from previous measurements by $3.5\,σ$. This suggests that the system period may have decreased by $\sim 1$ minute in the 20 to 30 days between previous measurements and our measurements. We find that no mechanism previously presented for this system can account for this large of a period change, and drag from impact ejecta is an unlikely explanation. Further observations of the (65803) Didymos system are needed to both confirm our result and to further understand this system post impact.

研究动机与目标

• 利用地面光度观测测量(65803)迪迪莫斯双小行星系统撞击后的轨道周期变化。
• 评估已知机制（如YORP效应、潮汐力或喷射物拖曳）是否可解释观测到的周期变化。
• 确定该系统是否表现出与撞击前趋势或预测的撞击后行为不一致的异常轨道衰减。
• 为NASA的DART任务和欧空局的Hera任务提供更新的观测约束。

提出的方法

• 使用塔切尔天文台0.7米望远镜在r'波段对迪迪莫斯系统进行了为期10晚的光度观测，采用非恒星跟踪模式。
• 将光 light curves 以主小行星2.26小时的自转周期进行相位折叠，采用7项傅里叶分解模型拟合旋转调制。
• 通过从数据中减去傅里叶模型，识别出相互掩食（食变和掩星），重点关注两晚中出现清晰10%深度凹陷的时段。
• 对相互掩食时间拟合线性星历表，并通过三次样条插值校正地心相位角效应的影响。
• 通过在-35至-32分钟范围内以0.02秒为步长最小化χ²，确定周期变化ΔP。
• 基于公式Δm = mi[(Pi/Pf)^(1/3) - 1]，估算所需喷射物质量，假设系统总质量保持不变。

Figure 1: ( top panel ) Phase folded photometric measurements of (65803) Didymos used to derive a Fourier model of the rotational modulation to the light curve (dashed black line). ( bottom panels ) Light curves of (65803) Didymos from 2022 October 30 and 31 corrected for rotational modulation and s

实验结果

研究问题

• RQ1 迪迪莫斯系统是否表现出大于撞击前趋势或已知撞击后机制预测的周期变化？
• RQ2 观测到的周期变化ΔP = -34.2 ± 0.1 分钟是否可由撞击喷射物的拖曳效应解释？
• RQ3 观测到的轨道衰减是否与双小行星YORP效应、潮汐力或其他已知动力学效应一致？
• RQ4 为产生观测到的周期变化，迪普尔莫斯轨道中所需喷射物的质量是多少？
• RQ5 与Thomas等人（2023年）先前测得的ΔP = -33.0 ± 0.3 分钟相比，观测到的撞击后周期变化有何不同？

主要发现

• 本研究测得撞击后周期变化为ΔP = -34.2 ± 0.1 分钟，与先前报告值-33.0 ± 0.3 分钟相比存在3.5σ的显著偏差。
• 观测到的周期变化与撞击前平均近点角的二次项漂移不一致，后者仅贡献了(1.5 ± 0.4) × 10⁻⁹的周期变化率。
• 目前尚无已知机制——包括双小行星YORP效应、潮汐力、差分Yarkovsky效应、轨道交点进动或质量损失——可解释观测到的周期变化。
• 估算表明，需约3 × 10⁶ kg的喷射物质量才能产生观测到的周期变化，约占撞击总估算喷射物质量的5–30%。
• 考虑到低逃逸速度（~0.2 m/s）、估算的喷射物速度以及太阳辐射压的快速清除作用，该所需喷射物质量被认为极不可能。
• 结果表明，当前双小行星系统撞击后动力学模型中尚未考虑的异常轨道衰减机制可能存在。