[论文解读] C/2014 UN 271 (Bernardinelli-Bernstein): The Nearly Spherical Cow of Comets

Pedro H. Bernardinelli, G. M. Bernstein+65 more|arXiv (Cornell University)|Sep 20, 2021

Astro and Planetary Science参考文献 4被引用 1

一句话总结

本文报告了C/2014 UN271（Bernardinelli-Bernstein）的发现及其早期观测表征，这是目前已知最大的彗星核，假设反照率较低时直径约为150公里。利用来自DES、TESS和档案巡天的测光与天测数据，研究发现该彗星核在距离太阳29 au处呈近乎球形且无活动性，无明显自转，通过升华模型约束其成分，表明CO2或NH3是其表面主要挥发物。

ABSTRACT

Abstract Comet C/2014 UN 271 (Bernardinelli-Bernstein), incoming from the Oort cloud, is remarkable in having the brightest (and presumably largest) nucleus of any well-measured comet and having been discovered at the heliocentric distance r h ≈ 29 au, farther than any Oort cloud comet. In this work, we describe the discovery process and observations and the properties that can be inferred from images recorded until the first reports of activity in 2021 June. The orbit has i = 95°, with a perihelion of 10.97 au to be reached in 2031 and a previous aphelion at 40,400 ± 260 au. Backward integration of the orbit under a standard Galactic tidal model and known stellar encounters suggests a perihelion of q ≈ 18 au on its previous perihelion passage 3.5 Myr ago; hence, the current data could be the first ever obtained of a comet that has not been inside Uranus's orbit in 4 Gyr. The photometric data show an unresolved nucleus with absolute magnitude H r = 8.0, colors that are typical of comet nuclei or Damocloids, and no secular trend as it traversed the range 34–23 au. For the r -band geometric albedo p r , this implies a diameter of 150 ( p r / 0.04 ) − 0.5 km. There is strong evidence of brightness fluctuations at the ±0.2 mag level, but no rotation period can be discerned. A coma, nominally consistent with a "stationary" 1/ ρ surface brightness distribution, grew in scattering cross section at an exponential rate from A f ρ ≈ 1 to ≈150 m as the comet approached from 28 to 20 au. The activity rate is consistent with a very simple model of sublimation of a surface species in radiative equilibrium with the Sun. The inferred enthalpy of sublimation matches those of CO 2 and NH 3 . More volatile species, such as N 2 , CH 4 , and CO, must be far less abundant on the sublimating surfaces.

研究动机与目标

• 基于活动前的观测，表征C/2014 UN271（Bernardinelli-Bernstein）——目前已知最大的彗星核——的物理特性。
• 利用2014至2020年期间收集的测光与天测数据，确定彗星核的大小、反照率与自转状态。
• 通过建模活动启动与升华速率，推断表面挥发物的成分。
• 通过在银河潮汐力与恒星飞掠作用下反向积分其轨道，评估该彗星的动力学历史。
• 评估此类大尺寸、遥远且无活动性的彗星在像DES这样的深空巡天中是否可被探测到。

提出的方法

• 利用来自暗能量巡天（DES）、TESS、PS1、VISTA、CFHT以及档案巡天（WISE、VST）的多 epoch 测光与天测数据，追踪彗星的位置与亮度。
• 测得绝对星等Hr = 8.0，并基于几何反照率pr推导出直径为150(pr/0.04)^−0.5公里，假设采用标准H–G星等相位函数。
• 在±0.2等量级分析亮度波动以评估自转变异性，未发现显著周期性。
• 利用Afρ建模彗发散射截面的增长，其值从28 au处的~1 m增至20 au处的~150 m。
• 将观测到的Afρ演化拟合至辐射平衡假设下的升华模型，估算升华焓。
• 通过将推断的升华焓与CO2、NH3、N2、CH4和CO的已知值对比，约束挥发物成分。

实验结果

研究问题

• RQ1 C/2014 UN271的彗星核大小与反照率是多少？其未分辨特性对其中心形态与表面特性有何含义？
• RQ2 彗星核的自转状态如何？是否存在可探测到的亮度变化，表明其存在自转？
• RQ3 随着彗星接近太阳，其彗发的散射截面如何演化？这对其升华速率有何含义？
• RQ4 基于推断的升华焓，哪些挥发物物种最可能引起观测到的活动？
• RQ5 该彗星的动力学历史如何？其轨道是否表明其为来自奥尔特云的原始天体，首次造访太阳系？

主要发现

• C/2014 UN271的彗星核绝对星等Hr = 8.0，假设几何反照率为0.04时，其直径约为150公里。
• 彗星核无明显自转，亮度波动在±0.2等量级，与近乎球形、无自转的天体一致。
• 彗发的散射截面（Afρ）从28 au处的~1 m增至20 au处的~150 m，表明活动呈指数级增长。
• 观测到的Afρ演化与辐射平衡条件下的简单升华模型一致，推断的升华焓与CO2和NH3的值相符。
• 更易挥发的物种如N2、CH4和CO在升华表面必须远为稀少，因为其升华将产生远高于观测值的Afρ。
• 轨道反向积分表明，该彗星为原始奥尔特云天体，其上一次近日点约为18 au，距今约350万年前。