[论文解读] Erosion of Icy Interstellar Objects by Cosmic Rays and Implications for `Oumuamua

Vo Hong Minh Phan, Thiem Hoang+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 9, 2021

Solar and Space Plasma Dynamics参考文献 5被引用 4

一句话总结

本文研究了宇宙射线和气体碰撞对冰质星际物体（ISOs）的侵蚀作用，发现瞬时宇宙射线加热显著缩短了侵蚀时间尺度。若氮冰碎片需在星际介质（ISM）中存活约0.5 Gyr，则其初始半径必须至少为0.5 km——这使得将‘奥陌陌’解释为氮冰bergs的物质质量预算问题更加严峻，尤其当其形成于宇宙射线通量较高的区域时。

ABSTRACT

We study the destruction and modification of icy interstellar objects by cosmic rays and gas collisions. Using the cosmic-ray flux measured in the local interstellar medium as well as inferred from gamma-ray observations at the different galactocentric radii, we find that cosmic-ray erosion is significant for interstellar objects made of common types of ices. Interestingly, cosmic-ray heating might destroy icy interstellar objects very efficiently such that the initial size of an N$_2$ fragment as suggested by \citet{jackson2021} to explain the composition of `Oumuamua should be at least 0.5 km in size in order to survive the journey of about 0.5 Gyr in the ISM and might be even larger if it originated from a region with an enhanced cosmic-ray flux. This implies an initial N$_2$ mass that is at least an order of magnitude larger than the final value, exacerbating the N$_2$ mass budget deficiency for explaining `Oumuamua. The erosion time due to cosmic-ray heating and gas collisions also allows us to set approximate limits on the initial size for other types of icy interstellar objects, e.g. composed of CO, CO$_2$, or CH$_4$. For a given initial size, we constrain the maximum distance to the birth site for interstellar objects with different speeds. We also find that cosmic-ray and gas heating could entirely modify the ice structure before destroying interstellar objects.

研究动机与目标

• 评估宇宙射线瞬时热点加热和星际气体碰撞在ISOs穿越星际介质（ISM）过程中对其侵蚀的作用。
• 在考虑来自宇宙射线加热的更新侵蚀速率基础上，重新评估氮冰碎片在ISM中存活约0.5 Gyr所需的最小初始尺寸。
• 基于侵蚀和改性时间尺度，利用初始尺寸和速度约束ISOs的出生位置最大距离。
• 研究宇宙射线和气体加热如何改变ISOs的内部冰结构（例如非晶态与晶态之间），并探讨其对未来光谱观测的影响。
• 量化不同宇宙射线通量（例如因银河系位置不同而变化）对由氮、一氧化碳、二氧化碳或甲烷冰构成的ISOs的侵蚀和存活时间尺度的影响。

提出的方法

• 利用宇宙射线通量测量和伽马射线观测，对局部及银河系范围内的宇宙射线密度变化进行建模，以ξ_CR为参数化表示。
• 应用Hoang & Loeb（2020）提出的瞬时热点加热模型，计算冰质ISOs的侵蚀速率，考虑每次宇宙射线撞击的能量沉积。
• 通过积分因宇宙射线加热和气体碰撞导致的半径减小速率，结合表面体积增强因子ε，推导出侵蚀时间尺度τ。
• 基于宇宙射线和气体碰撞引起的热处理，计算冰结构转变（如非晶态到晶态或反之）的改性时间尺度τ_m。
• 将侵蚀和改性时间尺度与轨道参数（初始尺寸R₀、速度v_obj）结合，估算ISOs在抵达太阳系前仍能存活的出生位置最大距离D_max。
• 使用数值模拟追踪非晶态冰体积填充因子随时间的演化，评估在完全破坏前的结构改性程度。

实验结果

研究问题

• RQ1 当考虑宇宙射线瞬时加热时，氮冰碎片在ISM中存活约0.5 Gyr所需的最小初始尺寸是多少？
• RQ2 在银河系某些区域宇宙射线通量增强（ξ_CR > 1）的情况下，对冰质ISOs的所需初始尺寸和存活概率有何影响？
• RQ3 对于给定初始尺寸和速度的ISO，其出生位置的最大距离是多少，才能使其至今仍可被观测到？
• RQ4 宇宙射线和气体碰撞加热如何改变ISOs的内部冰结构，其对光谱探测有何影响？
• RQ5 宇宙射线加热导致的侵蚀时间缩短在多大程度上降低了以氮冰bergs假说解释‘奥陌陌’特性的可行性？

主要发现

• 由于宇宙射线瞬时热点加热导致的侵蚀时间尺度估计为先前估计的1–2个数量级更短，意味着冰质ISOs的破坏速度更快。
• 在ε = 3且局部宇宙射线通量（ξ_CR = 1）的假设下，氮冰碎片的初始半径必须至少为0.5 km，才能在ISM中存活约0.5 Gyr，这使得所需初始氮冰质量至少增加一个数量级。
• 若宇宙射线通量提高5倍（ξ_CR = 5），所需初始尺寸进一步增大，使解释‘奥陌陌’的氮冰质量预算问题更加严峻。
• 对于由常见冰（N₂、CO、CO₂、CH₄）构成的ISOs，为在0.5 Gyr内存活，其最小初始尺寸在0.1 km至0.5 km之间，具体取决于与出生地的距离和速度。
• 对于初始尺寸R₀ = 0.5 km、v_obj ≈ 10 km/s的氮冰ISO，其出生位置最大距离被约束为D_max ≈ 4 kpc（ξ_CR = 1时）或D_max ≈ 1 kpc（ξ_CR = 5时），前提是其能存活至太阳系。
• 宇宙射线和气体加热可在完全破坏前完全改变冰的结构（如非晶态变为晶态），对于ε = 3、v_obj = 10 km/s的0.5 km氮冰碎片，改性时间尺度τ_m ≈ 0.17 Gyr，侵蚀时间尺度τ ≈ 0.58 Gyr。