[论文解读] Outgassing As Trigger of 1I/`Oumuamua's Nongravitational Acceleration: Could This Hypothesis Work at All?

Z. Sekanina|arXiv (Cornell University)|May 2, 2019

Astro and Planetary Science参考文献 3被引用 8

一句话总结

本文认为，出气作用——尤其是水冰的出气——无法解释1I/‘Oumuamua的非引力加速度，原因在于其与观测到的太阳系距离依赖关系不一致，质量密度要求过低（<0.001 g cm⁻³），且缺乏可检测到的活动迹象。研究结论认为，该加速度更可能由太阳辐射压作用于一颗低密度、无活动性的星际彗星碎裂残骸所导致，从而无需引入任何出气机制。

ABSTRACT

The question of what triggered the nongravitational acceleration of 1I/`Oumuamua continues to attract researchers' attention. The absence of any signs of activity notwithstanding, the prevailing notion is that the acceleration of the stellar, cigar-like object was prompted by outgassing. However, the Spitzer Space Telescope's failure to detect `Oumuamua not only ruled out the CO_2 and/or CO driven activity (Trilling et al. 2018), but made the cigar shape incompatible with the optical observations. Choice of water ice as the source of outgassing is shown to be flawed as well: (i) the water sublimation law is demonstrably inconsistent with the observed variations in the nongravitational acceleration derived by Micheli et al. (2018), the point that should have been assertively highlighted; and (ii) an upper limit of the production rate of water is estimated at as low as 4 x 10^(23) molecules s^(-1), requiring that, at most, only a small area of the surface be active. In this case the conservation of momentum law is satisfied only when `Oumuamua's bulk density is extremely low, &lt;0.001 g cm^(-3), reminiscent of the formerly proposed scenario with `Oumuamua as a fragment of a dwarf interstellar comet, possibly an embryo planetesimal, disintegrating near perihelion, with the acceleration driven by solar radiation pressure (Sekanina 2019a) and no need for activity at all. High quality of astrometry and Micheli et al.'s orbital analysis, whose results were confirmed by the computations of other authors, is acknowledged.

研究动机与目标

• 评估出气——尤其是水冰出气——是否能合理解释1I/‘Oumuamua轨道中观测到的非引力加速度。
• 评估观测到的加速度定律（r⁻²或r⁻¹）与水和其他挥发物的升华模型的兼容性。
• 探讨CO₂、CO和OH未被探测到对出气假说的影响，并限制水产生速率的最大可能值。
• 探讨低本体密度、无活动性的碎片作为观测加速度来源的物理可行性，且与太阳辐射压一致。
• 在单一连贯的物理模型中统一解释该天体的类恒星外观、极高孔隙率及轨道动力学。

提出的方法

• 分析Micheli等人（2018年）提供的天体测量与轨道数据，经独立计算验证，将非引力加速度建模为径向力。
• 应用水冰及其他挥发物（CO₂、CO）的升华定律，将预测的加速度分布与观测到的r⁻²或r⁻¹依赖关系进行比较。
• 利用Ye等人（2017年）和Trilling等人（2018年）提供的分子产生速率上限（CN、C₂、C₃、CO、CO₂），推导出水产生速率的保守上限（≤4×10²³ molecules s⁻¹）。
• 利用Kataoka等人（2013年、2017年）的分形聚集体模型，评估在极端孔隙率和低本体密度条件下的动量守恒。
• 将观测到的加速度大小与已知彗星的加速度进行比较，评估出气驱动加速度的物理可行性。
• 对低密度、多孔、无活动性的碎片进行太阳辐射压建模，以解释观测到的加速度，而无需任何活动性假设。

实验结果

研究问题

• RQ1 1I/‘Oumuamua的非引力加速度的观测r⁻²或r⁻¹依赖关系能否由其内部水冰升华解释？
• RQ2 CO₂或CO的升华是否与斯皮策空间望远镜未探测到该天体的结果一致？
• RQ3 未检测到可探测活动对1I/‘Oumuamua的水产生速率施加了何种上限？
• RQ4 若仅一小部分表面具有活动性，动量守恒要求的本体密度是多少？该密度是否具有物理可行性？
• RQ5 1I/‘Oumuamua的非引力加速度能否由太阳辐射压作用于一颗已解体的星际彗星的无活动性超多孔碎片来解释？

主要发现

• 1I/‘Oumuamua的观测非引力加速度与水冰的升华定律不一致，后者无法匹配观测到的r⁻²或r⁻¹依赖关系。
• 水产生速率的上限被限制在≤4×10²³ molecules s⁻¹，意味着仅极小的表面积在参与活动。
• 若出气是加速度的成因，动量守恒要求本体密度<0.001 g cm⁻³，意味着极端孔隙率和极低结构完整性。
• 该天体的类恒星外观及缺乏可探测活动，与显著出气不相容，与主流假说相矛盾。
• 观测到的加速度更可能由太阳辐射压作用于一颗低密度、无活动性的星际彗星碎裂残骸所导致，从而无需任何出气机制。
• 该模型与原行星盘中通过尘埃聚结形成蓬松多孔聚集体的过程一致，其本体密度在10 kg至10⁶吨质量范围内为0.0002–0.0004 g cm⁻³。