[论文解读] Non-Gravitational Forces and Spin Evolution of Comets

Roman R. Rafikov|arXiv (Cornell University)|Sep 13, 2018

Astro and Planetary Science参考文献 2被引用 5

一句话总结

本文提出彗星非引力加速度与自转周期变化之间存在线性相关性，通过无量纲力臂参数 ζ 将二者联系起来。基于7颗具有测量自转周期变化和非引力加速度的彗星，研究发现 log ζ = −2.21 ± 0.54，并将该关系应用于209颗彗星，识别出最可能发生大幅自转加速的彗星，表明自转分裂是关键的破坏机制，且 ζ ≥ 10⁻³。

ABSTRACT

Motion of many comets is affected by non-gravitational forces caused by outgassing from their surfaces. Outgassing also produces reactive torques resulting in cometary spin evolution. We propose that the two processes are correlated and show that the change of cometary spin rate over its heliocentric orbit scales linearly with the amplitude of its non-gravitational acceleration. The proportionality constant depends on the comet size and orbital elements (semi-major axis and eccentricity) and on the (dimensionless) lever arm parameter $ζ$ that relates the outgassing-induced torque and acceleration. We determine $ζ$ for 7 comets for which both non-gravitational acceleration and change of spin period $ΔP$ were measured and verify this relation. This sample spanning almost 4 decades in $ΔP$ yields $\logζ=-2.21\pm 0.54$, surprisingly small value and spread. We then apply our framework to 209 comets with measured non-gravitational accelerations and determine the objects most likely to exhibit large spin period changes, $ΔP\gtrsim 20$ min per orbit assuming rotation period of 10 hr and $ζ$ comparable to our control sample. These objects should be primary targets for future studies of cometary spin variability, further constraining distribution of $ζ$. Lack of comets with very high expected spin rate changes (which is not equivalent to having the highest non-gravitational acceleration) suggests that (1) cometary fission due to outgassing-driven spin-up must be an important process and (2) the distribution of $ζ$ has a lower limit $\sim 10^{-3}$.

研究动机与目标

• 建立非引力加速度与彗星自转演化之间直接的物理关联。
• 确定连接非引力力矩与加速度的力臂参数 ζ。
• 识别最可能在每条轨道上经历显著自转周期变化的彗星，以供未来观测目标选择。
• 利用观测到的自转变化性状约束 ζ 的分布，并评估其对彗星分裂的影响。

提出的方法

• 推导出自转周期变化与非引力加速度之间的启发式线性关系，以 ζ 为参数。
• 利用7颗彗星的观测自转周期变化和非引力加速度数据标定 ζ。
• 将标定后的 ζ 关系应用于包含209颗具有测量非引力加速度的彗星样本。
• 将 ΔΩ₁ 定义为假设 ζ = 1 时每条轨道的自转速率变化，以评估目标选择的潜在自转加速。
• 利用自转分裂判据（P_crit = 1 小时）从缺乏观测到高自转加速彗星的事实反推出 ζ 的下限。
• 评估幸存者偏差：未观测到高 ΔΩ₁ 的彗星表明 ζ ≥ 10⁻³，以避免发生分裂。

实验结果

研究问题

• RQ1 彗星的非引力加速度与自转周期变化之间是否存在可测量的相关性？
• RQ2 连接力矩与加速度的力臂参数 ζ 的值及其分布为何？
• RQ3 哪些彗星最可能在每条轨道上表现出显著的自转周期变化？
• RQ4 尽管非引力加速度较高，为何未观测到自转加速率极高的彗星？
• RQ5 此类彗星的缺失对 ζ 的最小值设定了何种约束？

主要发现

• 基于7颗彗星的观测，自转周期变化与非引力加速度之间的线性关系得到验证，log ζ = −2.21 ± 0.54。
• 推断出的 ζ 值出乎意料地小，且分布范围较广，表明有效力臂较低。
• 在209颗彗星中，预测有数十颗将表现出每条轨道自转周期变化约1小时的特征。
• 少数彗星因快速自转加速而面临自转分裂风险，表明这是主要的破坏途径。
• 未观测到高自转加速率（ΔΩ₁ > 1 s⁻¹）的彗星，暗示 ζ 的下限约为 10⁻³。
• 自转分裂导致的幸存者偏差可能抑制了低 ζ 值天体的探测，从而解释了观测到的 ζ 值偏小的现象。