[论文解读] Interstellar comet 2I/Borisov as seen by MUSE: C$_2$, NH$_2$ and red CN detections

Michele T. Bannister, Cyrielle Opitom+12 more|arXiv (Cornell University)|Jan 30, 2020

Astro and Planetary Science参考文献 13被引用 15

一句话总结

本研究利用甚大望远镜上的MUSE积分场光谱仪，首次在星际彗星 2I/Borisov 中探测到 C₂、NH₂ 和红移 CN。其 C₂/CN 生成速率比为 0.61，NH₂/CN 比为 2.7，表明碳链物质仅出现轻微耗竭，且 NH₂ 显著富集，与大多数内太阳系彗星相比，暗示其化学特性与本地彗星群体具有相似性，尽管其起源于星际空间。

ABSTRACT

We report the clear detection of C$_2$ and of abundant NH$_2$ in the first prominently active interstellar comet, 2I/Borisov. We observed 2I on three nights in November 2019 at optical wavelengths 4800--9300 Åwith the Multi-Unit Spectroscopic Explorer (MUSE) integral-field spectrograph on the ESO/Very Large Telescope. These data, together with observations close in time from both 0.6-m TRAPPIST telescopes, provide constraints on the production rates of species of gas in 2I's coma. From the MUSE detection on all epochs of several bands of the optical emission of the C$_2$ Swan system, a rich emission spectrum of NH$_2$ with many highly visible bands, and the red (1-0) bandhead of CN, together with violet CN detections by TRAPPIST, we infer production rates of $Q$(C$_2$) = $1.1 imes10^{24}$ mol s$^{-1}$, $Q$(NH$_2$) = $4.8 imes10^{24}$ mol s$^{-1}$ and $Q$(CN) = $(1.8\pm0.2) imes 10^{24}$ mol s$^{-1}$. In late November at 2.03~au, 2I had a production ratio of C$_2$/CN$=0.61$, only barely carbon-chain depleted, in contrast to earlier reports measured further from the Sun of strong carbon-chain depletion. Thus, 2I has shown evolution in its C$_2$ production rate: a parent molecule reservoir has started sublimating. At $Q$(NH$_2$)/$Q$(CN) = 2.7, this second interstellar object is enriched in NH$_2$, relative to the known Solar System sample.

研究动机与目标

• 表征 2I/Borisov 的挥发性成分，这是首次在太阳系中探测到的活跃星际彗星。
• 利用高分辨率光学光谱法测定关键彗星气体 C₂、NH₂ 和 CN 的生成速率。
• 通过与太阳系彗星的气体生成速率比进行比较，评估 2I/Borisov 的化学演化过程。
• 探究其成分是否反映了一个与太阳系相似的行星esimal 形成盘。

提出的方法

• 2019年11月，利用欧洲南方天文台甚大望远镜上的 MUSE 仪器，对 2I/Borisov 进行了为期三晚的深度、高分辨率积分场光谱观测。
• 在核附近 10 角秒范围内提取光谱，以最小化空间混合效应，并最大化内彗发区域的信噪比。
• 通过测量 C₂ 斯旺带系、NH₂ 带系以及 CN 的红移 (1–0) 带头线，推导出生成速率。
• 将 MUSE 数据与 TRAPPIST 望远镜同步获取的窄带测光和光谱数据相结合，交叉验证 CN 生成速率。
• 采用辐射转移建模与线轮廓拟合方法，假设各向同性喷发，推导出 C₂、NH₂ 和 CN 的生成速率 Q(X)。
• 计算生成速率比（如 Q(NH₂)/Q(CN)、Q(C₂)/Q(CN)），以比较 2I/Borisov 的化学特性与已知彗星群体的差异。

实验结果

研究问题

• RQ1 MUSE 观测测得的 2I/Borisov 彗发中 C₂、NH₂ 和 CN 的生成速率分别是多少？
• RQ2 2I/Borisov 的 C₂/CN 生成速率比与太阳系彗星相比如何，特别是在碳链物质耗竭方面？
• RQ3 2I/Borisov 是否相对于典型太阳系彗星表现出 NH₂ 富集？这对其起源意味着什么？
• RQ4 随着 2I/Borisov 接近近日点，其气体生成速率如何演化？这对其挥发性物质储层激活过程有何启示？
• RQ5 2I/Borisov 的化学特性在多大程度上与我们太阳系中的彗星相似？

主要发现

• MUSE 观测明确探测到 2I/Borisov 彗发中的 C₂ 斯旺带系、NH₂ 发射带系以及 CN 的红移 (1–0) 带头线。
• 测得 C₂ 的生成速率为 Q(C₂) = 1.1 × 10²⁴ mol s⁻¹，表明母分子存在活跃的升华过程。
• 测得 NH₂ 的生成速率为 Q(NH₂) = 4.8 × 10²⁴ mol s⁻¹，显著高于大多数太阳系彗星。
• 测得 CN 的生成速率为 Q(CN) = (1.8 ± 0.2) × 10²⁴ mol s⁻¹，红移与蓝移带头线测量结果一致。
• 在 2.03 au 处，C₂/CN 生成速率比为 0.61，表明其碳链物质仅出现轻微耗竭，与早期在更大日心距离处报告的强烈耗竭现象相比，差异显著。
• NH₂/CN 生成速率比为 2.7，使 2I/Borisov 成为已知 NH₂ 最丰富的彗星之一，其值比太阳系彗星样本的平均值高出 1.4σ。