[论文解读] The triaxial ellipsoid dimensions, rotational pole, and bulk density of ESA Rosetta target asteroid (21) Lutetia

J. Drummond, Al Conrad+7 more|arXiv (Cornell University)|May 28, 2010

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一句话总结

本研究利用凯克望远镜和甚大望远镜的高分辨率自适应光学图像，确定了小行星(21) 穆采星的三轴椭球形状、自转轴和整体密度。通过结合自适应光学数据与光曲率建模，推导出124±5 × 101±4 × 93±13 km的混合形状模型，并估算出整体密度为3.5±1.1或4.3±0.8 g cm⁻³，支持顽辉石球粒陨石成分，并可能存在大孔隙度。

ABSTRACT

We seek the best size estimates of the asteroid (21) Lutetia, the direction of its spin axis, and its bulk density, assuming its shape is well described by a smooth featureless triaxial ellipsoid, and to evaluate the deviations from this assumption. Methods. We derive these quantities from the outlines of the asteroid in 307 images of its resolved apparent disk obtained with adaptive optics (AO) at Keck II and VLT, and combine these with recent mass determinations to estimate a bulk density. Our best triaxial ellipsoid diameters for Lutetia, based on our AO images alone, are a x b x c = 132 x 101 x 93 km, with uncertainties of 4 x 3 x 13 km including estimated systematics, with a rotational pole within 5 deg. of ECJ2000 [long,lat] = [45, -7], or EQJ2000 [RA, DEC] = [44, +9]. The AO model fit itself has internal precisions of 1 x 1 x 8 km, but it is evident, both from this model derived from limited viewing aspects and the radius vector model given in a companion paper, that Lutetia has significant departures from an idealized ellipsoid. In particular, the long axis may be overestimated from the AO images alone by about 10 km. Therefore, we combine the best aspects of the radius vector and ellipsoid model into a hybrid ellipsoid model, as our final result, of 124 +/- 5 x 101 +/- 4 x 93 +/- 13 km that can be used to estimate volumes, sizes, and projected areas. The adopted pole position is within 5 deg. of [long, lat] = [52, -6] or[RA DEC] = [52, +12]. Using two separately determined masses and the volume of our hybrid model, we estimate a density of 3.5 +/- 1.1 or 4.3 +/- 0.8 g cm-3 . From the density evidence alone, we argue that this favors an enstatite-chondrite composition, although other compositions are formally allowed at the extremes (low-porosity CV/CO carbonaceous chondrite or high-porosity metallic). We discuss this in the context of other evidence.

研究动机与目标

• 使用高角分辨率成像精确测定小行星(21) 穆采星的三轴椭球尺寸。
• 利用多个观测历元的自适应光学数据约束其自转轴方向。
• 通过结合形状模型与近期质量测量结果估算整体密度。
• 评估与理想椭球形状的偏离程度，并提高形状建模的精度。
• 基于推导出的整体密度和观测约束，评估该小行星的可能成分。

提出的方法

• 在2000年、2007年以及2008–2009年观测季节，利用凯克II号和甚大望远镜上的自适应光学系统获取了307张穆采星的分辨图像。
• 将三轴椭球模型拟合到自适应光学图像中的视盘轮廓上，内部精度为1×1×8 km。
• 将自适应光学获得的椭球模型与一篇附带论文中的半径矢量模型结合，生成混合形状模型。
• 利用该混合模型计算体积和投影面积，并结合两个独立的质量估计值推导出整体密度。
• 应用误差分析，包括系统不确定性，以确定最终形状和密度的不确定性。
• 通过将推导出的密度与陨石颗粒和整体密度进行比较，并考虑大孔隙度的影响，评估成分的含义。

实验结果

研究问题

• RQ1 基于自适应光学成像，小行星(21) 穆采星的最佳拟合三轴椭球尺寸是什么？
• RQ2 穆采星的自转轴位于何处，其确定精度如何？
• RQ3 当结合形状和质量估计值时，穆采星的整体密度是多少？
• RQ4 与理想椭球形状的偏离如何影响推导出的尺寸和密度？
• RQ5 推导出的整体密度对穆采星的可能成分和内部结构有何含义？

主要发现

• 仅基于自适应光学图像，穆采星的最佳拟合三轴椭球尺寸为132×101×93 km，不确定性为4×3×13 km。
• 自转轴位于黄道坐标系[λ β] = [45° −7°]或赤道坐标系[RA DEC] = [44° +9°]（ECJ2000历元）的5°以内。
• 结合自适应光学与光曲率数据的混合形状模型得出的尺寸为124±5 × 101±4 × 93±13 km，纠正了长轴可能被高估的问题。
• 最终模型中的自转轴位于黄道坐标系[λ β] = [52° −6°]或赤道坐标系[RA DEC] = [52° +12°]（EQJ2000历元）的5°以内。
• 利用两个独立的质量估计值，整体密度计算结果为3.5±1.1 g cm⁻³或4.3±0.8 g cm⁻³，支持顽辉石球粒陨石成分。
• 密度约束排除了铁镍成分和CI/CM球粒陨石，CO/CV球粒陨石仅在极端情况下勉强允许，提示可能存在大孔隙度。