[论文解读] TNOs are Cool: A survey of the trans-Neptunian region. VIII. Combined Herschel PACS and SPIRE observations of 9 bright targets at 70--500 micron

S. Fornasier, E. Lellouch+18 more|arXiv (Cornell University)|May 2, 2013

Astro and Planetary Science参考文献 6被引用 72

一句话总结

本研究利用赫歇尔望远镜的PACS与SPIRE在70–500 μm波段的联合光度测量，推导出九个明亮 trans-Neptunian天体（TNOs）和半人马小行星（Centaurs）的热性质、尺寸、反照率及体密度，其中包括矮行星Haumea以及双小行星系统Quaoar/Weywot、Orcus/Vanth和Salacia/Actea。关键结果表明，Quaoar的体密度（2.18 g/cm³）与冰体混合难熔物质的组成一致，与冥王星和Haumea类似，挑战了早期对高密度的估计。

ABSTRACT

Transneptunian objects (TNOs) are bodies populating the Kuiper Belt and they are believed to retain the most pristine and least altered material of the solar system. The Herschel Open Time Key Program entitled "TNOs are Cool: A survey of the trans-Neptunian region" has been awarded 373 h to investigate the albedo, size distribution and thermal properties of TNOs and Centaurs. Here we focus on the brightest targets observed by both the PACS and SPIRE multiband photometers: the dwarf planet Haumea, six TNOs (Huya, Orcus, Quaoar, Salacia, 2002 UX25, and 2002 TC302), and two Centaurs (Chiron and Chariklo). Flux densities are derived from PACS and SPIRE instruments using optimised data reduction methods. The spectral energy distribution obtained with the Herschel PACS and SPIRE instruments over 6 bands (centred at 70, 100, 160, 250, 350, and 500 $μ$m), and with Spitzer-MIPS at 23.7 and 71.4 $μ$m has been modelled with the NEATM thermal model in order to derive the albedo, diameter, and beaming factor. For the Centaurs Chiron and Chariklo and for the 1000 km sized Orcus and Quaoar, a thermophysical model was also run to better constrain their thermal properties. We derive the size, albedo, and thermal properties, including thermal inertia and surface emissivity, for the 9 TNOs and Centaurs. Several targets show a significant decrease in their spectral emissivity longwards of $\sim$300 $μ$m and especially at 500 $μ$m. Using our size estimations and the mass values available in the literature, we also derive the bulk densities for the binaries Quaoar/Weywot (2.18$^{+0.43}_{-0.36}$ g/cm$^3$), Orcus/Vanth (1.53$^{+0.15}_{-0.13}$ g/cm$^3$), and Salacia/Actea (1.29$^{+0.29}_{-0.23}$ g/cm$^3$). Quaoar's density is similar to that of the other dwarf planets Pluto and Haumea, and its value implies high contents of refractory materials mixed with ices.

研究动机与目标

• 利用远红外数据确定最亮的trans-Neptunian天体（TNOs）和Centaurs的尺寸、反照率及热性质。
• 通过多波段SED建模，约束TNOs和Centaurs的热惯量和表面发射率。
• 利用观测的直径和文献中的质量估计，推导双小行星系统的体密度。
• 研究亚毫米波段发射率行为及其对表面成分和热结构的启示。
• 结合赫歇尔与光学数据，评估Centaurs Chiron和Chariklo的彗星活动。

提出的方法

• 对赫歇尔PACS与SPIRE在70、100、160、250、350和500 μm波段的光度观测数据进行优化处理。
• 采用NEATM热模型进行光谱能量分布（SED）建模，以推导直径、反照率和发射因子。
• 对较大天体（如Orcus、Quaoar）应用热物理模型（TPM），以更好地约束热惯量和表面粗糙度。
• 结合斯皮兹勒-MIPS（23.7、71.4 μm）和WISE（11.6、22.1 μm）数据，以改善SED拟合。
• 利用NEATM与TPM模型，在不同表面发射率和热性质假设下推导尺寸与反照率估计。
• 将观测到的发射率趋势与理论冰吸收特性进行比较，以推断表面成分及次表层热行为。

实验结果

研究问题

• RQ1 在观测的九个最亮TNOs和Centaurs中，其热性质（包括热惯量和表面发射率）是什么？
• RQ2 推导出的直径与几何反照率与以往估计相比如何？这对表面成分有何启示？
• RQ3 双小行星系统Quaoar/Weywot、Orcus/Vanth和Salacia/Actea的体密度是多少？这揭示了其内部成分的何种信息？
• RQ4 为何在波长超过~250 μm时发射率显著下降，特别是在500 μm处？这对其热发射来自次表层的影响有何启示？
• RQ5 在Centaurs Chiron和Chariklo中是否存在彗星活动的证据？其尘埃产生率的限制条件是什么？

主要发现

• Quaoar的直径为1070 ± 38 km，其卫星Weywot为81 ± 11 km，几何反照率为12.7 ± 1 %。
• Quaoar/Weywot双小行星系统的体密度为2.18 g/cm³，90%可信区间为1.82–2.61 g/cm³，表明其含有大量难熔物质与冰的混合物。
• Orcus/Vanth系统的主带直径为917 ± 25 km，卫星为276 ± 17 km，几何反照率为23.1 +1.8/-1.1 %，高于特神族小行星的平均值。
• Orcus/Vanth系统的体密度为1.53 g/cm³，90%可信区间为1.39–1.68 g/cm³，与冰与岩石的混合物一致。
• Salacia/Actea双小行星系统的体密度为1.29 g/cm³，90%可信区间为1.06–1.58 g/cm³，表明其具有多孔或冰质结构。
• 大多数天体的发射率在波长大于250 μm时显著下降，尤其在500 μm处，表明SPIRE探测到了更深、更冷的次表层，暗示冰中杂质导致亚毫米波段吸收增强。