[论文解读] Physical Properties of OSIRIS-REx Target Asteroid (101955) 1999 RQ36 derived from Herschel, ESO-VISIR and Spitzer observations

Thomas Mueller, Laurence O’Rourke+7 more|arXiv (Cornell University)|Oct 19, 2012

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一句话总结

本研究结合赫歇尔、ESO-VISIR 和斯皮策空间望远镜的观测数据，利用热物理模型推导小行星 (101955) 1999 RQ36 的物理特性。结果表明其直径为 480–511 米，几何反照率为 0.045⁺⁰.⁰¹⁵₋₀.₀₁²，热惯量为 650 Jm⁻²s⁻⁰.⁵K⁻¹，且自转方向为逆行，证实其原始、富含挥发物的特性及碎石堆结构，这对 OSIRIS-REx 采样返回任务至关重要。

ABSTRACT

In September 2011, the Herschel Space Observatory performed an observation campaign with the PACS photometer observing the asteroid (101955) 1999 RQ36 in the far infrared. The Herschel observations were analysed, together with ESO VLT-VISIR and Spitzer-IRS data, by means of a thermophysical model in order to derive the physical properties of 1999 RQ36. We find the asteroid has an effective diameter in the range 480 to 511 m, a slightly elongated shape with a semi-major axis ratio of a/b=1.04, a geometric albedo of 0.045 +0.015/-0.012, and a retrograde rotation with a spin vector between -70 and -90 deg ecliptic latitude. The thermal emission at wavelengths below 12 micron -originating in the hot sub-solar region- shows that there may be large variations in roughness on the surface along the equatorial zone of 1999 RQ36, but further measurements are required for final proof. We determine that the asteroid has a disk-averaged thermal inertia of Gamma = 650 Jm-2s-0.5K-1 with a 3-sigma confidence range of 350 to 950 Jm-2s-0.5K-1, equivalent to what is observed for 25143 Itokawa and suggestive that 1999 RQ36 has a similar surface texture and may also be a rubble-pile in nature. The low albedo indicates that 1999 RQ36 very likely contains primitive volatile-rich material, consistent with its spectral type, and that it is an ideal target for the OSIRIS-REx sample return mission.

研究动机与目标

• 利用多波段红外观测，确定 OSIRIS-REx 任务目标小行星 (101955) 1999 RQ36 的物理特性。
• 通过将热物理模型应用于新的远红外和中红外数据，解决雷达和辐射测量方法先前在尺寸和反照率估计上的不一致。
• 研究表面粗糙度变化与热惯量，以推断表面纹理和表土特性，为采样提供参考。
• 通过热光曲线建模确认小行星的自转矢量和自转方向，特别是其逆行自转特性。
• 利用多所望远镜的观测数据，验证热物理建模技术在未访问小行星上的适用性，从而拓展其在小行星带中的广泛应用。

提出的方法

• 利用赫歇尔望远镜的 PACS 光度计在远红外波段（55–200 μm）进行主任特别时间（DDT）观测，测量 1999 RQ36 的热辐射。
• 在甚大望远镜上获取 ESO-VISIR 的中红外波段（8–25 μm）观测数据，探测太阳下点区域的热辐射及表面粗糙度。
• 分析档案中的斯皮策-IRS 数据（15–35 μm），获得在不同相位角下高光谱分辨率的热辐射信息。
• 将热物理模型（TPM）应用于联合拟合全部三组数据，考虑热辐射、形状、自转状态和表面粗糙度。
• 采用三维椭球形形状模型，长宽比 a/b 为 1.04，以拟合热光曲线的变化，假设该天体为非球形、略微拉长的形态。
• 引入相位角依赖性和表面粗糙度效应（如均方根坡度），以改善模型拟合效果，尤其在大相位角时表现更优。

实验结果

研究问题

• RQ1 基于多台望远镜的热辐射数据，(101955) 1999 RQ36 的真实有效直径和几何反照率是多少？
• RQ2 1999 RQ36 的热惯量是多少？它对表面纹理和内部结构有何含义？
• RQ3 小行星赤道区域的表面粗糙度变化如何影响热辐射？这些变化对表土特性有何启示？
• RQ4 1999 RQ36 的自转矢量和自转方向是什么？与 YORP 效应预测结果相比如何？
• RQ5 能否通过联合赫歇尔、VISIR 和斯皮策数据的热物理建模，解决先前在尺寸和反照率估计上的不一致？

主要发现

• 1999 RQ36 的有效直径为 480–511 米，与近期雷达测量的平均直径 493 ± 20 米一致，小于早期雷达估计值。
• 该小行星的几何反照率为 0.045⁺⁰.⁰¹⁵₋₀.₀₁²，证实其为原始、富含挥发物的 B 型小行星。
• 热惯量测定为 650 Jm⁻²s⁻⁰.⁵K⁻¹，99% 置信区间为 350–950 Jm⁻²s⁻⁰.⁵K⁻¹，与伊藤小行星（Itokawa）相近，表明其具有碎石堆结构。
• 自转矢量位于黄道坐标系纬度 -70° 至 -90° 之间，确认其为逆行自转，与 YORP 平衡预测一致。
• VISIR 与斯皮策-IRS 通量测量之间的差异表明存在显著的表面粗糙度变化，可能暗示地形异质性及不同区域表土特性差异。
• 模型支持存在细尘和小石块区域，这对 OSIRIS-REx 任务规划至关重要，有助于选择最佳采样点以获取原始、富含有机物的物质。