[论文解读] Cold traps of hypervolatiles in the protosolar nebula at the origin of comet C/2016 R2 (PanSTARRS)'s peculiar composition

O. Mousis, Artyom Aguichine+5 more|arXiv (Cornell University)|Mar 2, 2021

Astro and Planetary Science参考文献 2被引用 4

一句话总结

本文提出，彗星 C/2016 R2 (PanSTARRS) 由原始太阳星云中靠近 CO 和 N₂ 冰线区域的纯凝结物形成，解释了其异常高的 N₂/CO 比值和极端的 H₂O 缺失。该模型表明，在 10–15 AU 区域、低粘性（α = 10⁻⁴）条件下凝结的颗粒可重现该彗星观测到的挥发物比例，表明其形成于比典型彗星更冷、更遥远的环境。

ABSTRACT

Recent observations of the long period comet C/2016 R2 (PanSTARRS) indicate an unusually high N2/CO abundance ratio, typically larger than 0.05, and at least 2-3 times higher than the one measured in 67P/Churyumov-Gerasimenko. Another striking compositional feature of this comet is its heavy depletion in H2O, compared to other comets. Here, we investigate the formation circumstances of a generic comet whose composition reproduces these two key features. We first envisage the possibility that this comet agglomerated from clathrates, but we find that such a scenario does not explain the observed low water abundance. We then alternatively investigate the possibility that the building blocks of the comet C/2016 R2 (PanSTARRS) agglomerated from grains and pebbles made of pure condensates via the use of a disk model describing the radial transport of volatiles. We show that N2/CO ratios reproducing the value estimated in this comet can be found in grains condensed in the vicinity of the CO and N2 icelines. Moreover, high CO/H2O ratios (>100 times the initial gas phase value) can be found in grains condensed in the vicinity of the CO iceline. If the building blocks of a comet assembled from such grains, they should present N2/CO and CO/H2O ratios consistent with the measurements made in comet C/2016 R2 (PanSTARRS)'s coma. Our scenario indicates that comet C/2016 R2 (PanSTARRS) formed in a colder environment than the other comets that share more usual compositions. Our model also explains the unusual composition of the interstellar comet 2l/Borisov.

研究动机与目标

• 解释彗星 C/2016 R2 (PanSTARRS) 异常高的 N₂/CO 比值（约 0.06–0.08）和极端 H₂O 缺失（H₂O/CO ~0.32%）的起源。
• 研究在水丰度较低的条件下，包覆物形成是否能再现该彗星的特殊成分。
• 评估原始太阳星云中可产生此类挥发物比例的形成条件，通过纯凝结过程实现。
• 将该模型扩展至解释星际彗星 2I/Borisov 的成分，其同样表现出富含 CO、水贫乏的喷发特征。
• 基于盘面参数与储层质量比，量化形成 R2 类彗星与 H₂O 丰富彗星的相对可能性。

提出的方法

• 使用原始太阳星云盘模型，模拟气相与固相（纯凝结物）中挥发物的径向输运。
• 追踪在不同距离太阳区域形成的纯凝结物（如 CO、N₂、H₂O 冰）的形成过程，重点关注靠近 CO 和 N₂ 冰线的区域。
• 计算在不同日心距离（10–15 AU）和不同粘性参数（α = 10⁻³ 和 10⁻⁴）下形成的固体质粒中 N₂/CO 与 CO/H₂O 比值。
• 比较两个环形储层中 H₂O 和 CO 冰的质量：一个为 CO > H₂O（R2 类彗星），另一个为原始太阳星云的 CO/H₂O 比值（平均彗星）。
• 模拟在 0.1–1 Myr 时间尺度内储层质量比的时间演化，以评估形成 R2 类彗星的可能性。
• 评估 N₂ 屏蔽与光解离化学在冷盘区中对氮化学稳定性的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 在 H₂O 丰度较低的条件下，包覆物形成能否解释彗星 C/2016 R2 (PanSTARRS) 中的高 N₂/CO 比值？
• RQ2 原始太阳星云中需要何种物理条件，才能在 R2 中产生观测到的 N₂/CO 与 CO/H₂O 比值？
• RQ3 原始太阳星云盘的粘性参数（α）如何影响 R2 类彗星与 H₂O 丰富彗星的形成及其质量比？
• RQ4 相同的形成机制能否解释星际彗星 2I/Borisov 的富含 CO、水贫乏的成分？
• RQ5 基于盘面质量储层与形成时间尺度，形成 R2 类彗星与典型 H₂O 丰富彗星的相对可能性如何？

主要发现

• 包覆物形成无法解释 R2 中 H₂O/CO 比值的低值，因为其要求 H₂O/CO ≈ 6，与观测到的 ~0.32% 不一致。
• 在 CO 和 N₂ 冰线附近（10–15 AU）形成的纯凝结物可重现 R2 中观测到的 N₂/CO 比值（约 0.06–0.08）。
• 在 CO 冰线附近形成的颗粒中，CO/H₂O 比值可超过原始太阳星云气相比值的 200 倍，与 R2 中水丰度低的特征一致。
• 当 α = 10⁻⁴ 时，R2 类彗星与平均彗星的质量比在 0.1–1 Myr 的形成时期内可从 <1% 到 100% 不等，表明对盘面参数高度敏感。
• 当 α = 10⁻³ 时，R2 类彗星的质量仅为平均彗星的约 1%，表明在高粘性条件下其形成极为稀少。
• 该模型还可解释星际彗星 2I/Borisov 的富含 CO、水贫乏的彗发，支持其在寒冷、富含挥发物的盘区中具有与 R2 相同的形成机制。