[论文解读] Probing Extrasolar Planetary Systems with Interstellar Meteors

Amir Siraj, Abraham Loeb|arXiv (Cornell University)|Jun 7, 2019

Astro and Planetary Science参考文献 1被引用 10

一句话总结

本文提出建立一个由约600台全天相机组成的全球网络，用于探测并光谱分析直径大于5厘米的星际流星体，从而实现轨道测定、化学成分分析，并有望回收陨石。研究发现，大小分布幂律斜率为 q = 3.41 ± 0.17，与星际尘埃以及像‘Oumuamua和CNEOS 2014-01-08这样的更大天体一致。

ABSTRACT

The first interstellar object, `Oumuamua, was discovered in the Solar System by Pan-STARRS in 2017, allowing for a calibration of the impact rate of interstellar meteors of its size $\sim 100\;$m. The discovery of CNEOS 2014-01-08 allowed for a calibration of the impact rate of interstellar meteors of its size $\sim 1\;$m. Analysis of interstellar dust grains have allowed for calibrations of the impact rate of smaller interstellar meteors down to the size $\sim 10^{-8}\;$m. We analyze the size distribution of interstellar meteors, finding that for smooth power-law fits of the form $N(r)\propto r^{-q}$, the possible values of $q$ are in the range $3.41 \pm 0.17$. We then consider the possibility of analyzing interstellar meteors to learn about their parent planetary systems. We propose a strategy for determining the orbits and chemical compositions of interstellar meteors, using a network of $\sim 600$ all-sky camera systems to track and conduct remote spectroscopy on meteors larger than $\sim 5$cm once every few years. It should also be possible to retrieve meteorites from the impact sites, providing the first samples of materials from other planetary systems.

研究动机与目标

• 建立一个以星际流星体作为系外行星系统探测手段的新天文学研究领域。
• 通过回收星际陨石，弥补其他行星系统缺乏直接物理样本的不足。
• 利用现有探测结果如‘Oumuamua和CNEOS 2014-01-08校准星际流星体的大小分布。
• 制定在大气进入过程中对星际流星体进行实时远程光谱分析的策略。
• 通过陨石光谱的同位素丰度分析，识别其母恒星。

提出的方法

• 利用约600台全天视频相机系统组成的网络，每对系统联合覆盖约5×10⁵ km²的可见天空区域，探测直径大于5厘米的流星体。
• 通过多站视频观测精确重构轨迹，以确定星际流星体的轨道要素。
• 在星际流星体进入大气层发生烧蚀时，对其产生的高温气态碎片进行实时远程光谱分析。
• 通过流星体轨迹的向后外推，追溯潜在的母恒星，并将同位素组成与恒星系统进行匹配。
• 对星际流星体的大小分布应用幂律拟合，建模为 N(r) ∝ r⁻q，其中 r > 5×10⁻⁶ m。
• 利用现有探测结果如‘Oumuamua（100米）和CNEOS 2014-01-08（1米）作为大小分布模型的校准点。

实验结果

研究问题

• RQ1 星际流星体的大小分布如何？N(r) ∝ r⁻q 的幂律指数 q 是多少？
• RQ2 能否利用全球全天相机网络探测并追踪直径大于5厘米的星际流星体？
• RQ3 能否通过大气进入过程中的远程光谱分析确定星际流星体的化学成分？
• RQ4 能否通过足够精确的轨道重构将星际流星体追溯至其母恒星？
• RQ5 是否可行从撞击点回收物理陨石样本，以研究其他行星系统的物质？

主要发现

• 星际流星体的大小分布符合幂律分布，幂律斜率为 q = 3.41 ± 0.17（对应半径 r > 5×10⁻⁶ m）。
• 该值与Landgraf等人（2000年）推导出的 q = 3.3 一致，但与Mathis等人（1977年）、Landgraf与Grun（1998年）以及Hajdukova与Paulech（2002年）的早期模型不一致。
• 预计直径大于5厘米的星际流星体每年将撞击地球数次，因此可通过约600台全天相机组成的网络实现探测。
• 该网络可实现对烧蚀羽流的实时远程光谱分析，从而实现对星际流星体化学成分的分析。
• 通过多站观测的轨迹重构可实现向后积分，以识别潜在的母恒星。
• 陨石光谱中的同位素丰度（如r-过程元素铕）可将陨石与母恒星关联，揭示行星系统形成的相关信息。