[论文解读] A Search for N2+ in Spectra of Comet C/2002C1 (Ikeya-Zhang)

A. L. Cochran|ArXiv.org|Aug 23, 2002

Astro and Planetary Science参考文献 19被引用 40

一句话总结

本研究通过高分辨率和低分辨率光谱观测，对彗星 C/2002 C1 (Ikeya-Zhang) 的电离尾中寻找 N₂⁺，未发现彗星 N₂⁺ 辐射。N₂⁺/CO⁺ 的上限为 5.4×10⁻⁴，表明若彗星核中水冰为结晶态，则通过包合物作用捕获挥发物的过程不完全，暗示凝聚过程中 H₂O/H₂ < 2.8× 太阳 O/H。

ABSTRACT

We report low- and high-resolution spectra of comet C/2002 C1 (Ikeya-Zhang) from McDonald Observatory. The comet had a well-developed ion tail including CO+, CO2+, CH+, and H2O+. We used our high-resolution spectra to search for N2+. None was detected and we placed upper limits on N2+/CO+ of 5.4 times 10^{-4}. N2+ was detected in the low-resolution spectra but we show that this emission was probably telluric in origin (if cometary, we derive N2+/CO+ = 5.5 times 10^{-3}, still very low). We discuss the implications for the conditions in the early solar nebula of the non-detection of N2+. These depend on whether the H2O ice was deposited in the amorphous or crystalline form. If H2O was deposited in its crystalline form, the detection of CO+ but not N2+ has implications for H2O/H2 in the early solar nebula.

研究动机与目标

• 利用高分辨率和低分辨率光谱，测定彗星 C/2002 C1 (Ikeya-Zhang) 电离尾中 N₂⁺ 的丰度。
• 评估是否检测到或未检测到 N₂⁺ 可为太阳星云早期的氮化学和冰形成条件提供约束。
• 评估低分辨率光谱中观测到的 N₂⁺ 特征是彗星来源还是地球大气来源。
• 检验 N₂⁺/CO⁺ 比值是否反映太阳星云中冰凝聚期间的 H₂O/H₂ 比值，特别是基于结晶态冰沉积模型。

提出的方法

• 使用麦克唐纳天文台的 2dCoudé 撰谱仪获取高分辨率光谱，光谱分辨率 R ≈ 60,000，以将 3914Å 处的 N₂⁺ 辐射与其它彗星和地球大气辐射分离。
• 使用大型卡塞格林摄谱仪（R ≈ 550）获取低分辨率光谱，以评估电离尾中 N₂⁺ 的存在，并与高分辨率数据进行比较。
• 测量 N₂⁺、CO⁺ 和 CN 的光谱流量随彗星中心距离的变化，基于空间分布区分彗星与地球大气辐射。
• 通过分析 3914Å 特征在狭缝上的空间一致性来评估地球大气污染；若轮廓在全宽上保持恒定，则表明为地球大气来源。
• 利用荧光效率模型和带头位置，评估 CO⁺(5,1) 和 CO₂⁺ 带对污染的影响。
• 基于高分辨率数据推导出 N₂⁺/CO⁺ 的上限，假设未检测到彗星 N₂⁺ 辐射。

实验结果

研究问题

• RQ1 彗星 Ikeya-Zhang 的高分辨率光谱中是否可探测到 N₂⁺ 辐射？若可探测，其丰度对彗星冰中氮化学有何含义？
• RQ2 Ikeya-Zhang 低分辨率光谱中观测到的 N₂⁺ 特征是彗星来源还是地球大气来源？
• RQ3 N₂⁺/CO⁺ 上限对太阳星云早期冰凝聚过程中 H₂O/H₂ 比值有何约束？
• RQ4 结果与非晶态与结晶态 H₂O 冰中挥发物捕获模型相比如何？
• RQ5 研究结果是否支持在 H₂O/H₂ 低于太阳 O/H 的条件下，包合物形成不完全？

主要发现

• 高分辨率光谱中未探测到彗星 N₂⁺ 辐射，N₂⁺/CO⁺ 的上限为 5.4×10⁻⁴。
• 低分辨率光谱中观测到的 N₂⁺ 特征可能为地球大气来源，因其在彗发中无空间变化，而 CO⁺ 和 CN 则表现出明显空间分布。
• 若该 N₂⁺ 特征为彗星来源，则 N₂⁺/CO⁺ 比值为 5.5×10⁻³，仍极低，与太阳星云中 N₂/CO 的平衡比不一致。
• 未检测到 N₂⁺ 与 H₂O 冰以结晶态沉积且挥发物在水合包合物中捕获不完全的模型一致。
• N₂⁺/CO⁺ 上限表明，凝聚过程中 H₂O/H₂ < 2.8× 太阳 O/H，支持包合物形成不完全。
• 该结果在三颗奥尔特云彗星（Ikeya-Zhang、deVico、Hale-Bopp）中一致，表明其形成条件具有共性，即结晶态 H₂O 冰与挥发物捕获不完全。