[论文解读] The Spectrum of Pluto, 0.40 - 0.93 $\mu$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

本研究利用威廉·赫歇尔望远镜在2014年六晚期间获取了冥王星的高分辨率可见光谱（0.40–0.93 µm），揭示了甲烷冰吸收带和复杂有机物的经度与长期变化。关键发现是所有甲烷吸收带均呈现蓝移，表明甲烷在氮冰中被稀释，最大蓝移出现在100°–200°经度区间，最小蓝移出现在360°，暗示在最稀释区域甲烷浓度更高，与新视野号的反照率图和近红外数据一致。

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 $\mu$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 $\mu$m. The computation of the depth of the band at 0.62 $\mu$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

• 获取覆盖完整自转周期的高分辨率冥王星可见光谱数据，以研究其表面成分及其变化。
• 表征冥王星表面甲烷冰和复杂有机物的经度与长期分布。
• 通过测量0.40–0.93 µm波段的反射率和光谱特征，为新视野号飞越任务提供地面观测支持。
• 估算在30 K和40 K温度下、0.62 µm波长处甲烷冰的兰伯特系数，这些温度此前尚未在实验室中测量过。
• 将冥王星的光谱特性与鸟神星和阋神星进行比较，推断其表面冰层和有机物含量的差异。

提出的方法

• 2014年5月至7月期间，使用4.2米威廉·赫歇尔望远镜上的ACAM光谱仪获取了六组冥王星的可见光谱。
• 覆盖了310°的经度范围，采样间隔约50°，因技术问题缺失一次观测。
• 计算了光谱斜率、甲烷吸收带深度以及相对于纯甲烷冰的中心波长位移。
• 将观测到的甲烷吸收带位移与实验室数据对比，推断CH4:N2稀释效应。
• 将平均冥王星光谱与新视野号MVIC滤波器响应函数进行卷积，以支持航天器成像与校准。
• 利用文献中鸟神星和阋神星的光谱数据，估算在30 K和40 K温度下的兰伯特系数。

实验结果

研究问题

• RQ1 在可见光波段，冥王星表面的光谱斜率和甲烷冰吸收带如何随经度变化？
• RQ2 在30 K和40 K温度下，0.62 µm波长处甲烷冰的兰伯特系数是多少？与实验室测量结果相比有何差异？
• RQ3 冥王星可见光谱中的甲烷冰吸收带是否呈现蓝移？这对其CH4-N2混合状态有何含义？
• RQ4 甲烷吸收带深度和位移的经度变化与哈勃望远镜和新视野号的反照率图如何相关？
• RQ5 基于光谱反射率，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

• 冥王星光谱中所有甲烷冰吸收带均呈现蓝移，表明甲烷在氮冰中被稀释，最大蓝移出现在100°至200°经度区间。
• 360°经度处的吸收带位移最小，与甲烷丰度最高区域重合，暗示该区域CH4:N2混合物更接近饱和。
• 在40 K温度下，甲烷冰在0.62 µm处的兰伯特系数估算为2.88×10⁻³ ± 1.23×10⁻³ cm⁻¹，此值此前未在实验室中测得。
• 根据鸟神星光谱，40 K下该系数为2.23×10⁻³ ± 0.85×10⁻³ cm⁻¹；根据阋神星光谱，30 K下为2.97×10⁻³ ± 1.46×10⁻³ cm⁻¹，表明跨海王星外天体的光谱行为一致。
• 光谱斜率和甲烷吸收带深度的经度变化与哈勃望远镜和新视野号的反照率图一致，最红的斜率出现在90°，最不红的斜率出现在270°。
• 甲烷冰吸收的昼夜振幅低于1980年和1994年的观测值，与近红外数据中观测到的长期变暗趋势一致，表明赤道区域表面反照率对比度降低。