[论文解读] Mass-loading of the solar wind at 67P/Churyumov-Gerasimenko -- Observations and modelling

E. Behar, Jesper Lindkvist+5 more|arXiv (Cornell University)|May 15, 2018

Astro and Planetary Science参考文献 1被引用 28

一句话总结

本研究利用罗塞塔号的原位数据与混合等离子体模拟，调查了彗星 67P/楚留莫夫-格拉希门克在太阳风中的质量加载现象。结果表明，随着太阳系距离减小，太阳风的偏转程度显著增加，最大可达90°，而减速作用极小（≈40 km/s），表明动量传递主要通过偏转而非速度降低实现。该相互作用局限于彗核周围约1000 km的区域，在此区域内，新电离的水粒子通过对流电场将能量和动量传递给太阳风，产生主导的垂直方向作用力，使质子发生偏转但未显著减速。

ABSTRACT

Context. The first long-term in-situ observation of the plasma environment in the vicinity of a comet, as provided by the European Rosetta spacecraft. Aims. Here we offer characterisation of the solar wind flow near 67P/Churyumov-Gerasimenko (67P) and its long term evolution during low nucleus activity. We also aim to quantify and interpret the deflection and deceleration of the flow expected from ionization of neutral cometary particles within the undisturbed solar wind. Methods. We have analysed in situ ion and magnetic field data and combined this with hybrid modeling of the interaction between the solar wind and the comet atmosphere. Results. The solar wind deflection is increasing with decreasing heliocentric distances, and exhibits very little deceleration. This is seen both in observations and in modeled solar wind protons. According to our model, energy and momentum are transferred from the solar wind to the coma in a single region, centered on the nucleus, with a size in the order of 1000 km. This interaction affects, over larger scales, the downstream modeled solar wind flow. The energy gained by the cometary ions is a small fraction of the energy available in the solar wind. Conclusions. The deflection of the solar wind is the strongest and clearest signature of the mass-loading for a small, low-activity comet, whereas there is little deceleration of the solar wind.

研究动机与目标

• 表征在低活动期，太阳风在彗星67P/楚留莫夫-格拉希门克附近长期演化特征。
• 量化由于彗星中性粒子电离导致的太阳风偏转与减速程度。
• 利用混合模拟方法，对太阳风与彗星彗发之间的相互作用进行建模。
• 从动量与能量传递的角度，解释观测到的等离子体动力学行为。
• 评估局部质量加载对其他小型、低活动度天体（如冥王星）的启示意义。

提出的方法

• 分析罗塞塔号在距离67P/CG最多1500 km范围内采集的原位离子与磁场数据。
• 采用混合等离子体模型模拟太阳风-彗星相互作用，将离子处理为运动学模型，电子处理为流体模型。
• 使用FLASH代码并结合混合求解器，模拟太阳风流动与电离过程。
• 模拟对流电场及其在垂直于太阳风方向加速新电离水离子的作用。
• 将观测到的偏转角与减速程度与模拟的太阳质子轨迹及受力情况进行对比。
• 识别出以彗核为中心、尺度约为1000 km的相互作用区域，能量与动量在此区域发生传递。

实验结果

研究问题

• RQ1 在彗星67P/楚留莫夫-格拉希门克处，随着太阳系距离减小，太阳风偏转如何演化？
• RQ2 在低活动彗星的质量加载过程中，太阳风的减速程度有多大？
• RQ3 动量如何从太阳风传递到彗星离子？
• RQ4 质量加载相互作用区域的空间范围与结构如何？
• RQ5 观测到的等离子体动力学行为与混合模拟预测结果相比如何？

主要发现

• 随着太阳系距离减小，太阳风偏转显著增强，接近近日点时最大可达90°。
• 观测到的太阳风减速极小，估计在2.65至2.2 au太阳系距离之间约为40 km/s。
• 混合模型再现了观测到的偏转趋势，并证实偏转是质量加载的主要特征，而非减速。
• 能量与动量从太阳风传递到彗发，集中于以彗核为中心、尺度约1000 km的局部区域。
• 作用于太阳风质子的力主要垂直于流动方向，与质子回旋运动及偏转行为一致。
• 模拟表明，该相互作用区域远小于捕获离子的回旋半径（约300,000 km），解释了为何偏转占主导而减速可忽略。