[论文解读] Impact-induced differentiation in icy bodies

W. B. Tonks, E. Pierazzo+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 5, 2016

Astro and Planetary Science参考文献 36被引用 3

一句话总结

本文提出，大型高速撞击可通过产生瞬态熔融区，触发冰质天体的全行星分异，从而实现致密物质的重力分异。通过撞击熔融模型与蒙特卡洛模拟，研究表明：在达到木卫二质量或更大时，原卫星的分异几乎必然发生；并通过不同撞击概率解释了木卫三与木卫四之间内部结构的差异，源于来自太阳系外侧的粒子撞击。

ABSTRACT

By the time icy objects grow to about the mass of Europa and silicate bodies grow to approximately lunar mass, a large high-speed impact can generate an intact melt region that allows the dense material to gravitationally segregate, forming a large density anomaly. If this anomaly generates sufficient differential stress, it rapidly segregates to the object's center, triggering whole body differentiation. We used an impact melting model based on the Hugoniot equations, the linear shock-particle velocity relationship, and the empirical relationship between shock pressure and distance coupled with a Monte Carlo simulation of the late accretion process to determine conditions under which large impacts trigger differentiation in icy bodies. In a gas-free environment, impacts of projectiles in the satellite's accretion zone have a small probability of triggering differentiation in surviving proto-satellites as small as Triton. The probability increases to 100% by the time surviving proto-satellites grow to the mass of Europa. The impact of heliocentric particles captured by the central planet also effectively triggers differentiation in the icy satellites. If the largest projectiles in the heliocentric distribution are comparable to the mass of the growing satellites, they trigger differentiation in all surviving proto-satellites by the time they grow to the mass of Callisto. However, Callisto and Ganymede have different probabilities of impact-induced differentiation if they captured a small fraction (0.01 and 0.5%) of the particles they accreted from a distribution of small (largest particles ~10% of the satellite's mass) heliocentric objects. Impact induced differentiation explains the apparent difference between these two objects in a plausible way.

研究动机与目标

• 探究大型撞击是否可在冰质天体吸积阶段触发全行星分异。
• 确定撞击产生的熔融区在何种条件下可导致致密物质的重力分异。
• 评估在包括冥卫一、木卫二、木卫四与木卫三在内的各类冰质卫星质量范围内，撞击诱发分异的概率。
• 通过撞击历史与粒子吸积概率的差异，解释木卫四与木卫三之间观测到的内部结构差异。
• 模拟太阳系外侧撞击体在无气体环境中的作用，以揭示其在触发冰质卫星分异中的角色。

提出的方法

• 基于胡戈尼厄特（Hugoniot）方程的撞击熔融模型，估算冲击引起的熔融体积。
• 应用线性冲击粒子速度关系，将撞击速度与冲击压力关联。
• 引入经验性的冲击压力-距离关系，以模拟熔融区的范围。
• 开展晚期吸积过程的蒙特卡洛模拟，以采样撞击体群体与频率。
• 模拟从冥卫一到木卫二与木卫四质量的冰质天体的撞击结果。
• 评估产生足够差异应力以通过重力分异驱动快速核心形成的概率。

实验结果

研究问题

• RQ1 冰质天体的质量阈值达到多少时，撞击诱发分异的概率会显著提高？
• RQ2 来自太阳系外侧群体的撞击体如何影响冰质卫星分异的可能性？
• RQ3 为何木卫四与木卫三尽管大小相近，却表现出不同的内部结构？
• RQ4 瞬态熔融区在实现致密物质重力分异中起到何种作用？
• RQ5 小尺寸太阳系外侧粒子的吸积如何影响撞击诱发分异的概率？

主要发现

• 对于质量达到或超过木卫二的幸存原卫星，撞击诱发熔融导致的分异几乎必然发生，概率达100%。
• 在无气体环境中，来自吸积区的撞击体可触发质量小至冥卫一的原卫星发生分异，但初始概率较低。
• 质量与成长中卫星相当的太阳系外侧撞击体，可在原卫星达到木卫四质量时，使所有幸存原卫星均发生分异。
• 木卫四与木卫三之间内部结构的差异，可通过其撞击诱发分异概率的差异合理解释，这取决于吸积的小型太阳系外侧粒子比例（0.01% vs. 0.5%）。
• 撞击诱发分异提供了一种可行机制，可解释冰质卫星中观测到的密度异常与核心形成，而无需依赖长寿命放射性同位素提供的内部加热。
• 该模型预测，大型撞击产生的瞬态熔融区可产生足够差异应力，驱动快速重力分异，从而导致全行星分异。