[论文解读] The Spectrum of Pluto, 0.40 - 0.93 $μ$m I. Secular and longitudinal distribution of ices and complex organics

V. Lorenzi, N. Pinilla-Alonso+5 more|arXiv (Cornell University)|Sep 1, 2015

Astro and Planetary Science参考文献 42被引用 11

一句话总结

本研究基于2014年一次自转周期内获得的高分辨率可见光谱（0.40–0.93 μm），揭示了冥王星甲烷冰吸收带和复杂有机物的经度与长期变化。研究首次利用地面观测数据估算了40 K下甲烷冰的朗伯系数（2.88×10⁻³ cm⁻¹），蓝移的吸收带表明甲烷在氮冰中被稀释，与新视野号探测器所观测到的表面非均质性和季节演化一致。

ABSTRACT

Context. During the last 30 years the surface of Pluto has been characterized, and its variability has been monitored, through continuous near-infrared spectroscopic observations. But in the visible range only few data are available. Aims. The aim of this work is to define the Pluto's relative reflectance in the visible range to characterize the different components of its surface, and to provide ground based observations in support of the New Horizons mission. Methods. We observed Pluto on six nights between May and July 2014, with the imager/spectrograph ACAM at the William Herschel Telescope (La Palma, Spain). The six spectra obtained cover a whole rotation of Pluto (Prot = 6.4 days). For all the spectra we computed the spectral slope and the depth of the absorption bands of methane ice between 0.62 and 0.90 $μ$m. To search for shifts of the center of the methane bands, associated with dilution of CH4 in N2, we compared the bands with reflectances of pure methane ice. Results. All the new spectra show the methane ice absorption bands between 0.62 and 0.90 $μ$m. The computation of the depth of the band at 0.62 $μ$m in the new spectra of Pluto, and in the spectra of Makemake and Eris from the literature, allowed us to estimate the Lambert coefficient at this wavelength, at a temperature of 30 K and 40 K, never measured before. All the detected bands are blue shifted, with minimum shifts in correspondence with the regions where the abundance of methane is higher. This could be indicative of a dilution of CH4:N2 more saturated in CH4. The longitudinal and secular variations of the parameters measured in the spectra are in accordance with results previously reported in the literature and with the distribution of the dark and bright material that show the Pluto's albedo maps from New Horizons.

研究动机与目标

• 利用高分辨率地面光谱学方法表征冥王星在可见光波段（0.40–0.93 μm）的表面反照率。
• 研究冥王星表面甲烷冰吸收带和复杂有机物的经度与长期变化。
• 通过量化表面成分与光谱特性，为新视野号任务提供观测支持。
• 估算此前实验室未测量过的30 K和40 K下甲烷冰的朗伯系数。
• 将光谱变化与哈勃望远镜和新视野号所观测到的大气-冰相互作用及反照率特征相联系。

提出的方法

• 利用位于西班牙拉帕尔玛的4.2米威廉·赫歇尔望远镜上的ACAM仪器，在2014年5月至7月间共六晚对冥王星进行光谱观测。
• 光谱范围覆盖0.40–0.93 μm，分辨率足以分辨甲烷冰在0.62、0.73、0.78–0.80及0.83–0.91 μm处的吸收带。
• 针对每次观测计算光谱斜率与吸收带深度，以量化表面反照率与成分的变化。
• 通过将观测到的甲烷吸收带与纯甲烷冰反照率进行比较，分析吸收带中心的移动，以指示CH₄:N₂混合物中的稀释效应。
• 利用冥王星光谱中0.62 μm处的吸收带深度，估算40 K下甲烷冰的朗伯系数，并通过冥王星、阋神和鸟神星光谱进行交叉验证。
• 将光谱斜率与吸收带深度的经度变化与哈勃望远镜及新视野号的反照率图进行关联，以建立光谱特征与表面反照率特征之间的联系。

实验结果

研究问题

• RQ1 在6.4天的自转周期内，冥王星的可见光谱在甲烷冰吸收与表面反照率方面如何变化？
• RQ2 40 K下甲烷冰的朗伯系数是多少？其与30 K下的值以及其他跨海王星天体中的值相比有何差异？
• RQ3 甲烷吸收带的蓝移在多大程度上表明甲烷在氮冰中的稀释？这种稀释效应如何随经度变化？
• RQ4 可见光谱的经度变化与近红外波段及哈勃望远镜和新视野号反照率图中的变化相比如何？
• RQ5 基于光谱颜色与吸收带深度，冥王星中复杂有机物的相对丰度与鸟神星和阋神星相比如何？

主要发现

• 首次在可见光波段检测到冥王星光谱中0.62 μm处的甲烷冰吸收带，证实其存在于表面冰混合物中。
• 40 K下甲烷冰的朗伯系数估算为2.88×10⁻³ cm⁻¹，不确定度为±1.23×10⁻³ cm⁻¹，这是该温度下首次直接测量结果。
• 鸟神星光谱中0.62 μm处的吸收带深度得出的朗伯系数为2.23×10⁻³ cm⁻¹ ±0.85×10⁻³ cm⁻¹，表明在跨海王星天体中结果具有一致性。
• 阋神光谱在30 K下得出的朗伯系数为2.97×10⁻³ cm⁻¹ ±1.46×10⁻³ cm⁻¹，表明其有机物含量低于冥王星和鸟神星。
• 所有甲烷冰吸收带均出现蓝移，表明甲烷在氮冰中被稀释，且在经度100°–200°之间甲烷丰度最高时，蓝移最小。
• 光谱斜率与吸收带深度的经度变化与反照率图一致，90°经度处光谱更红，270°处红色物质更少，与表面非均质性和季节演化一致。