[论文解读] Submillimetre observations of comets with Odin: 2001-2005

N. Biver, A. Lecacheux+8 more|SPIRE - Sciences Po Institutional REpository|Oct 26, 2006

Astro and Planetary Science被引用 4

一句话总结

本研究利用Odin卫星在2001至2005年间对12颗彗星进行了亚毫米波观测，通过高分辨率557 GHz H₂O谱线轮廓测量了水的生成速率，并检测到H₂¹⁸O和NH₃谱线。主要结果包括：对各向同性喷发的约束、¹⁶O/¹⁸O比值约为520（略高于地球值），以及氨的丰度为水的0.3–0.5%，与以往测量结果一致。

ABSTRACT

The Odin satellite, launched in Feb. 2001, is equipped with a 1.1-m submillimetre telescope. Odin was used to observe the 557 GHz line of water with high spectral resolution in 12 comets between 2001 and 2005. Line shapes and spatial mapping provide information on the anisotropy of the outgassing and constraints on water excitation, enabling accurate measurements of the water production rate. Five comets were regularly observed over periods of more than one month to monitor the variation of their water outgassing rate with heliocentric distance. Observing campaigns have been generally coordinated with ground-based observations of molecular lines at Nançay, CSO or IRAM 30-m telescopes to obtain molecular abundances relative to water. Thanks to Odin's frequency coverage, it was also possible to detect the H_2^18O 548GHz line, first in comet 153P/Ikeya-Zhang in April 2002 (Lecacheux et al., 2003) and then in comets C/2002 T7 (LINEAR), C/2001 Q4 (NEAT) and C/2004 Q2 (Machholz). The ^16O/^18O isotopic ratio (\approx450) is consistent with the terrestrial value. Ammonia has been searched for in three comets through its J_K = 1_0-0_0 line at 572 GHz and was tentatively detected in C/2001 Q4 and C/2002 T7. The derived abundances of NH_3 relative to water are 0.5 % and 0.3 %, respectively, similar to values obtained in other comets with different techniques.

研究动机与目标

• 通过557 GHz H₂O谱线的高分辨率亚毫米波观测，测量彗星中的水生成速率。
• 通过谱线轮廓分析和空间映射，研究彗星喷发的各向异性。
• 通过比较光学厚的H₂¹⁶O与光学薄的H₂¹⁸O谱线，确定彗星水中¹⁶O/¹⁸O同位素比值。
• 通过其572.5 GHz基频谱线，探测并量化彗发中的氨（NH₃）。
• 协调空间望远镜Odin的观测与地面射电望远镜（Nançay、CSO、IRAM）的观测，以确定相对分子丰度。

提出的方法

• Odin卫星使用一台1.1米亚毫米波望远镜，配备双波段接收机，覆盖486–504 GHz和541–580 GHz频段，可同时观测H₂O、H₂¹⁸O和NH₃谱线。
• 采用高分辨率自相关相关器（177 kHz分辨率），解析557 GHz水谱线，以研究因光学厚度效应引起的自吸收和多普勒速度偏移。
• 应用谱线拟合与辐射转移建模，推导水生成速率，假设喷发为各向同性，并考虑光学厚度效应。
• 通过与地面望远镜（Nançay、CSO、IRAM）的同步观测，获取互补的分子谱线数据，用于确定相对于水的丰度比。
• 通过恒星跟踪器校准和亮标定源（如Orion-KL、木星）的监测，保持指向精度，典型指向误差小于20”。
• 数据处理考虑了接收机频率漂移，特别是572.5 GHz NH₃谱线，需对每次观测进行单独的频率校准。

实验结果

研究问题

• RQ1 557 GHz H₂O谱线的速度结构如何揭示彗发中喷发的各向异性和自吸收？
• RQ2 彗星中的水生成速率是多少？其随日心距离随时间的变化如何？
• RQ3 彗星水中¹⁶O/¹⁸O同位素比值是多少？与地球值相比如何？
• RQ4 彗发中氨（NH₃）的丰度是多少？与其他技术测得的值相比如何？
• RQ5 观测到的谱线轮廓和激发条件如何约束辐射转移和喷发模型？

主要发现

• 557 GHz H₂O谱线轮廓显示红移自吸收，表明发射光学厚度较大，且存在与速度相关的光学厚度效应。
• 水生成速率的测量不确定性最高达50%，主要源于辐射转移模型中对各向同性喷发的假设。
• ¹⁶O/¹⁸O比值测定为约520，略高于地球值约450，尽管模型缺陷可能使该比值略微偏低。
• 在四颗彗星（153P/Ikeya-Zhang、C/2002 T7、C/2001 Q4、C/2004 Q2）中检测到548 GHz的H₂¹⁸O，从而对以水为主的彗发中的辐射转移提供了约束。
• 在C/2001 Q4和C/2002 T7中初步检测到氨，NH₃/H₂O丰度比分别为0.50±0.09%和0.33±0.08%，与其它观测方法结果一致。
• 推导出的NH₃丰度与24 GHz地面观测的上限值以及以往的原位探测和光学测量结果相符。