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紫金山天文台等在精确解译彗星彗发水分子谱线方面取得进展

发布:opticseditor    |    2019-10-08 14:25    阅读:259
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9月30日,Monthly Notices of the Royal Astronomical Society (《英国皇家天文学会月刊》) 和Astronomy and Astrophysics(《天文与天体物理》)分别在线发表了中国科学院紫金山天文台研究员季江徽课题组与德国马普太阳系研究所博士Paul Hartogh课题组等基于罗塞塔号探测器MIRO仪器获得的彗星67P/CG(亚)毫米波观测数据,首次建立并利用三维模型对彗星彗发中的分子谱线观测数据进行分析(图1),进而利用该模型结合MIRO的仪器参数分析遥感观测的三维空间效应(图2)的研究工作,相关研究对揭示彗星彗发活动特性与演化历史具有科学意义。

欧空局罗塞塔号(Rosetta)彗星探测器于2014年到达木星族彗星67P/CG,在轨期间获得了大量高精度的观测数据,帮助人类对彗星这类可能记录着太阳系起源和演化重要信息的小天体有了更深入的了解和认识。罗塞塔上搭载的毫米波探测器MIRO核心科学目标是探测彗星彗发主要气体成分和丰度、同位素比值及彗核表面和亚表层的温度。在为期两年的观测中,MIRO获得了大量的信息量极为丰富的数据,然而传统的研究工作基于一维球对称模型,忽略了67P/CG的极不规则的形状(图3)、太阳光照及彗核表面活动性的分布等因素,这无法满足解读高精度MIRO观测数据的需求。因此,如何将这些因素考虑在内,并建立更为合理的三维模型以更好地分析和理解MIRO的观测数据,获得更多有价值的信息成为一个难点问题。

为了精确解译MIRO观测数据,来自紫金山天文台的副研究员赵玉晖与马普太阳系研究所的博士Ladislav Rezac等合作建立了一套融合三维形状模型、光照模型、气体挥发模型、三维彗发模型、三维辐射转移模型及观测模拟和谱线模拟等多个模块的三维“数据分析”工具,并分别应用于MIRO早期水分子观测数据的研究和遥感仪器观测数据三维效应的分析。

该模型是目前唯一考虑彗核的复杂形状、自转状态、光照情况等因素的三维辐射转移模型,相对传统的一维模型可以显著地提高对毫米和亚毫米波段彗发分子谱线高精度观测数据的拟合结果,从而更深入精确地解读观测数据蕴含的彗发特性。该模型将用于对MIRO更多观测数据的分析以及对ALMA、JCMT等地面观测设备获得的高精度彗星彗发观测数据的解读,获取太阳系不同族群含冰小天体彗发中分子成分和丰度的更多更精确的信息,同时也为我国未来小天体探测任务中主带彗星探测和正在预研阶段的长周期彗星探测等任务提供重要的科学依据。

两项工作的第一作者分别为赵玉晖和Ladislav Rezac,合作者包括Paul Hartogh、季江徽、美国西南研究所博士Raphael Marschall及德国布伦瑞克大学博士Uwe Keller等。研究工作得到国家自然科学基金中德合作项目(11761131008)、国家自然科学基金(11673072, 11633009,11661161013, 11473073)、中科院创新交叉团队、中科院行星科学重点实验室等资助。

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图1 利用三维模型对彗核表面不同区域的活动性(左上:均匀,右上:Imhotep活跃,左下:Hapi活跃)模拟得到的MIRO观测到的分子柱密度(蓝色圈)及对应谱线(右下),与MIRO观测数据比较表明Hapi区域在这一时期相对较强的活动性(Zhao et al., 2019)。

图2 67P/CG表面不同区域对MIRO观测数据的贡献(颜色表示与贡献最大值的比值)和MIRO的视场在彗核表面的投影(白色圆)之间的关系(左上:彗核表面光照分布,右上、左下和右下分别表示探测器距离彗核表面2.5km,5km和20km),表明遥感观测数据大部分时间来自于几乎“整个”表面的贡献,不能与仪器视场在彗核表面投影区域的物理特性和活动性进行简单关联(Rezac et al., 2019)。

图3 67P/CG复杂的形状及光照导致的表面温度(左)和水分子产生率(右)的分布(Zhao et al., 2019)。

来源:紫金山天文台

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