[论文解读] Exocometary Science

Luca Matrà, Quentin Kral+21 more|arXiv (Cornell University)|Apr 4, 2019

Astro and Planetary Science被引用 1

一句话总结

本白皮书倡导将系外彗星科学推进为系外行星研究中的关键领域，强调通过太阳系外系统中的冰质天体研究挥发物向年轻岩石行星的输送。白皮书提出，未来的LUVOIR和Origins任务将能够对系外彗星带中的原子和分子气体开展灵敏、大范围的巡天观测，揭示行星形成时期元素丰度与水含量。

ABSTRACT

Evidence for exocomets, icy bodies in extrasolar planetary systems, has rapidly increased over the past decade. Volatiles are detected through the gas that exocomets release as they collide and grind down within their natal belts, or as they sublimate once scattered inwards to the regions closest to their host star. Most detections are in young, 10 to a few 100 Myr-old systems that are undergoing the final stages of terrestrial planet formation. This opens the exciting possibility to study exocomets at the epoch of volatile delivery to the inner regions of planetary systems. Detection of molecular and atomic gas in exocometary belts allows us to estimate molecular ice abundances and overall elemental abundances, enabling comparison with the Solar Nebula and Solar System comets. At the same time, observing star-grazing exocomets transiting in front of their star (for planetary systems viewed edge-on) and exozodiacal dust in the systems' innermost regions gives unique dynamical insights into the inward scattering process producing delivery to inner rocky planets. The rapid advances of this budding subfield of exoplanetary science will continue in the short term with the upcoming JWST, WFIRST and PLATO missions. In the longer term, the priority should be to explore the full composition of exocomets, including species crucial for delivery and later prebiotic synthesis. Doing so around an increasingly large population of exoplanetary systems is equally important, to enable comparative studies of young exocomets at the epoch of volatile delivery. We identify the proposed LUVOIR and Origins flagship missions as the most promising for a large-scale exploration of exocometary gas, a crucial component of the chemical heritage of young exo-Earths.

研究动机与目标

• 将系外彗星科学确立为理解年轻行星系统中类地行星挥发物输送的核心领域。
• 填补关于挥发物输送时期系外彗星化学成分的关键知识空白。
• 通过扩展探测能力，实现对大量行星系统的对比研究。
• 识别未来最有望表征系外彗星气体和元素丰度的任务。
• 优先探测在行星形成期间系外彗星喷发中水和关键前生命分子的存在。

提出的方法

• 利用LUVOIR的LUMOS仪器进行紫外光谱观测，绘制系外彗星气体中主要原子种类（H、C、N、O）的元素丰度和电离态。
• 利用Origins旗舰任务上的OSS仪器进行远红外光谱观测，通过119 µm的强跃迁检测OH和H2O。
• 开展空间和光谱分辨的观测，定位气体生成区域并追踪系外彗星带的动力学演化。
• 建立系外彗星带稳态气体释放模型，预测可探测的气体质量，并与未来设施的灵敏度曲线进行比较。
• 结合紫外、远红外和射电波段的数据，构建系外彗星成分与动力学的多波段图像。
• 利用即将开展的任务（JWST、WFIRST、PLATO）实现短期内的进展，将LUVOIR和Origins作为长期优先任务。

实验结果

研究问题

• RQ1 在年轻行星系统的挥发物输送阶段，系外彗星气体中的元素和分子丰度如何？
• RQ2 系外彗星的成分与太阳系彗星及太阳星云的成分相比有何异同？
• RQ3 系外彗星向内散射在向类地系外地球输送水和前生命分子方面起什么作用？
• RQ4 未来空间望远镜如LUVOIR和Origins如何实现对多个系统中系外彗星气体的无偏、大规模巡天？
• RQ5 利用下一代远红外和紫外设施，水和关键挥发物在系外彗星喷发中的探测阈值是多少？

主要发现

• Origins旗舰任务预计可探测超过100个行星系统中的系外彗星气体，使大规模群体研究成为可能。
• Origins上的OSS仪器预计灵敏度将比赫歇尔（Herschel）提高约1000倍，使在系外彗星带中检测OH和H2O成为常规操作。
• LUVOIR的LUMOS仪器将提供原子气体的空间分辨紫外图谱，实现对电离条件和元素丰度的详细表征。
• 稳态气体释放模型预测系外彗星带中可探测到气体质量，灵敏度曲线表明Origins可探测质量低至~10^20 g的系统。
• 高光谱分辨率（R ~ 40000）的远红外光谱将显著提高谱线与连续谱的比值，从而实现对微弱系外彗星气体的探测。
• 当前设施如JWST和VLA受限于观测开销和灵敏度，巡天能力有限；实现专用的大规模巡天需依赖LUVOIR或Origins级任务。