[论文解读] 1I/`Oumuamua and the Problem of Survival of Oort Cloud Comets Near the Sun

Z. Sekanina|arXiv (Cornell University)|Mar 15, 2019

Solar and Space Plasma Dynamics参考文献 5被引用 7

一句话总结

本文提出，1I/ʻOumuamua 是一颗在近日点附近如暗淡奥尔特云彗星般已解体的星际彗星的幸存碎片，依据是其极高的多孔性和非引力加速度。通过分析近日点距离 <1 AU 的长周期彗星的高精度轨道，作者识别出一种有利于近日点距离 <0.6 AU 的奥尔特云彗星的幸存偏倚，这些彗星本身更暗淡且尘埃贫乏，进而提出一种新的综合指数，以预测超出博特尔规则的近日点幸存性。

ABSTRACT

A 2000-2017 set of long-period comets with high-quality orbits of perihelion distance &lt;1 AU is used to show that the objects that perish shortly before perihelion are nearly exclusively the Oort Cloud comets, especially those with perihelia within 0.6 AU of the Sun, intrinsically fainter, and dust poor. Their propensity for disintegration is much higher than predicted by Bortle's perihelion survival rule, prompting the author to propose a new synoptic index to be tested in future prognostication efforts. By their susceptibility to demise near the Sun, the nuclei of Oort Cloud comets differ dramatically from the nuclei of other long-period comets that almost always survive. In this scenario, `Oumuamua -- discovered after perihelion -- is in all probability a major piece of debris of an interstellar comet that was bound to perish near perihelion if it was similar to, though much fainter than, the known Oort Cloud comets. The nondetection of `Oumuamua by the Spitzer Space Telescope is compatible with optical data for pancake shape, but not for cigar shape, with the maximum dimension not exceeding 160 m (at an 0.1 albedo). Although the solar radiation pressure induced nongravitational acceleration requires very high porosity, `Oumuamua's estimated mass is orders of magnitude greater than for a cloud of unbound submicron-sized dust grains of equal cross section. The acceleration could have displaced `Oumuamua by 250,000 km in 50 days, scattering other potential debris over a large volume of space.

研究动机与目标

• 利用2000–2017年期间的高精度轨道数据重新评估长周期彗星的近日点幸存性，克服早期研究的局限性。
• 调查暗淡、近日点距离小的彗星是否具有显著高于博特尔幸存规则预测的解体率，这种现象是否特指奥尔特云彗星，而非所有长周期彗星的普遍特性。
• 检验1I/ʻOumuamua是星际彗星在近日点附近解体后幸存碎片的假设，该彗星的解体方式与已知奥尔特云彗星一致。
• 开发一种新的综合指数以预测近日点幸存性，改进博特尔（1991）规则，该规则对暗淡、近日点距离小的奥尔特云彗星失效。
• 在太阳辐射压作用下，将观测到的ʻOumuamua非引力加速度与其物理特性（特别是其高多孔性和质量）相协调。

提出的方法

• 分析2000–2017年期间近日点距离 <1 AU 的长周期彗星数据集，结合高精度轨道元素，评估其幸存率。
• 比较近日点距离 <0.6 AU 的彗星的幸存行为，识别出一群暗淡、尘埃贫乏的奥尔特云彗星，其在近日点附近极易解体。
• 利用现代数据重新审视博特尔（1991）的近日点幸存规则，检验其对暗淡、动态新彗星的有效性。
• 假设ʻOumuamua为扁球体形状，建模其在太阳辐射压下的投影面积，利用球面几何计算所有视角下的平均受照表面积。
• 推导出在各向同性太阳光照条件下，球面对平均投影面积的解析表达式，考虑轴比 γ 和扁平度的影响。
• 利用推导公式计算轴比 γ 下的平均受照面积分数，显示当 γ 在6至11之间时，该值保持在0.52以上，与ʻOumuamua光变曲线的振幅一致。

实验结果

研究问题

• RQ1 暗淡、长周期彗星（近日点距离 <0.6 AU，尤其是奥尔特云彗星）在近日点附近的解体率是否显著高于博特尔幸存规则的预测？
• RQ2 1I/ʻOumuamua是否最合理地被解释为一颗在近日点附近如已知奥尔特云彗星般解体的星际彗星的幸存碎片？
• RQ3 观测到的ʻOumuamua非引力加速度的物理意义是什么？它如何约束其多孔性和质量？
• RQ4 在太阳辐射压作用下，ʻOumuamua的观测光变曲线振幅能否与煎饼状形状相容？这对其中心截面面积有何含义？
• RQ5 在各向同性太阳光照下，椭球体的平均投影面积是多少？其如何随轴比 γ 变化？

主要发现

• 研究发现存在强烈的幸存偏倚：奥尔特云彗星中近日点距离 <0.6 AU 的彗星，本身更暗淡且尘埃贫乏，几乎总是在近日点附近被摧毁，这与博特尔的幸存规则相矛盾。
• 观测到的ʻOumuamua非引力加速度暗示其具有极高的多孔性，与低密度、多孔结构一致，但其质量比具有相同截面的未束缚亚微米尘埃云高出数个数量级。
• 太阳辐射压可能在50天内将ʻOumuamua推动达250,000公里，同时使其他碎片在大范围内空间分散。
• 当轴比 γ 在6至11之间时，扁球体的平均受照投影面积为最大面积的0.52 ± 0.01，与ʻOumuamua光变曲线的振幅一致。
• 推导出的平均投影面积公式 ⟨X⟩/πa² = (1/2)[1 + ln(γ + √(γ²−1)) / (γ√(γ²−1))] 确认，平均受照面积始终大于最大面积的一半，且小于完整面积。
• Spitzer对ʻOumuamua的未探测结果与煎饼状形状一致，但若最大尺寸超过160米且反照率为0.1，则与雪茄状形状不相容。