[论文解读] Preperihelion Outbursts and Disintegration of Comet C/2017 S3 (Pan-STARRS)

Z. Sekanina, R. Kracht|arXiv (Cornell University)|Dec 17, 2018

Astro and Planetary Science参考文献 2被引用 4

一句话总结

本研究利用光度和轨道数据分析了彗星 C/2017 S3 (Pan-STARRS) 在近日点前的爆发及解体过程，揭示了两次主要爆发后彗核发生碎裂。高精度光变曲线分析与 STEREO-A 成像显示，一个面积达 2200 km²、以 76 m s⁻¹ 速度扩张的碎片云形成，爆发后检测到由辐射压驱动的毫米级尘埃颗粒，为短寿命彗星伴星及星际天体 1I/‘Oumuamua 提供了新见解。

ABSTRACT

A sequence of events, dominated by two outbursts and ending with the preperihelion disintegration of comet C/2017 S3, is examined. The onset times of the outbursts are determined with high accuracy from the light curve of the nuclear condensation before it disappeared following the second outburst. While the brightness of the condensation was declining precipitously, the total brightness continued to grow in the STEREO-A's HI1 images until two days before perihelion. The red magnitudes measured in these images refer to a uniform cloud of nuclear fragments, 2200 km^2 in projected area, that began to expand at a rate of 76 m s^(-1) at the time of the second outburst. A tail extension, detected in some STEREO-A images, consisted of dust released far from the Sun. Orbital analysis of the ground-based observations shows that the comet had arrived from the Oort Cloud in a gravitational orbit. Treating positional residuals as offsets of a companion of a split comet, we confirm the existence of the cloud of radiation-pressure driven millimeter-sized dust grains emanating from the nucleus during the second outburst. We detect a similar, but compact and much fainter cloud (or a sizable fluffy dust aggregate fragment) released at the time of the first outburst. --- The debris would make a sphere of 140 m across and its kinetic energy is equivalent to the heat of crystallization liberated by 100 tons of amorphous water ice. Ramifications for short-lived companions of the split comets and for 1I `Oumuamua are discussed.

研究动机与目标

• 理解彗星 C/2017 S3 在近日点通过前爆发与解体的序列过程。
• 利用高精度光变曲线分析确定两次主要爆发的起始时间与物理参数。
• 表征 STEREO-A HI1 图像中观测到的彗核碎片扩展云。
• 研究彗星及其碎片的轨道行为，特别是辐射压驱动尘埃的存在。
• 探讨分裂彗星短寿命伴星的含义，以及星际天体 1I/‘Oumuamua 的性质。

提出的方法

• 对彗核凝聚体的光变曲线进行高精度光度分析，以确定爆发起始时间。
• 利用 STEREO-A HI1 图像追踪碎片云的总亮度与空间扩张。
• 对地面观测的天体测量数据进行轨道分析，以确定彗星的起源与动力学历史。
• 对位置数据进行残差分析，识别高精度观测，并剔除 (O–C) 残差较大的异常值。
• 对尘埃颗粒的辐射压效应进行建模，以解释首次爆发后形成的微弱、紧凑云团的行为。
• 通过轨道残差比较推断分裂彗星中可能存在类似伴星的结构。

实验结果

研究问题

• RQ1 彗星 C/2017 S3 的两次主要爆发由何原因引起，分别发生在何时？
• RQ2 尽管彗核凝聚体亮度减弱，STEREO-A HI1 图像中总亮度为何仍持续增长？
• RQ3 第二次爆发后形成的碎片云的物理参数（尺寸、扩张速度）为何？
• RQ4 有哪些证据支持第二次爆发后存在由辐射压驱动的毫米级尘埃颗粒？
• RQ5 C/2017 S3 的轨道残差与碎片动力学如何与短寿命伴星及 1I/‘Oumuamua 的行为相关？

主要发现

• 第二次爆发发生于 2018 年 7 月 13.5 UT，触发形成一个面积为 2200 km²、以 76 m s⁻¹ 速度扩张的碎片云。
• STEREO-A HI1 图像中总亮度在近日点前两天仍持续增长，表明尽管彗核亮度减弱，仍存在持续的质量损失。
• 碎片云表现为均匀、扩张的尘埃包层，投影面积为 2200 km²，其动能等价于 10⁸ g 非晶态水冰结晶热释放。
• 首次爆发释放了一个微弱、紧凑的尘埃云或蓬松团块，与辐射压驱动的毫米级颗粒一致。
• 轨道分析确认 C/2017 S3 源自奥尔特云，其轨道为受引力主导的轨道，无显著扰动。
• 轨道解中的观测残差支持存在类似伴星的结构，暗示分裂彗星、短寿命伴星与星际天体如 1I/‘Oumuamua 之间可能存在联系。