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紫金山天文臺等在精確解譯彗星彗發水分子譜線方面取得進展
2019年09月30日

  930日,Monthly Notices of the Royal Astronomical Society (《英國皇家天文學會月刊》) Astronomy and Astrophysics(《天文與天體物理》)分別在線發表了中國科學院紫金山天文臺季江徽研究員課題組與德國馬普太陽系研究所Paul Hartogh博士課題組等基于羅塞塔號探測器MIRO儀器獲得的彗星67P/CG(亞)毫米波觀測數據,首次建立并利用三維模型對彗星彗發中的分子譜線觀測數據進行分析(圖1),進而利用該模型結合MIRO的儀器參數分析遙感觀測的三維空間效應(圖2)的研究工作,相關研究對揭示彗星彗發活動特性與演化歷史具有科學意義。

  歐空局羅塞塔號(Rosetta)彗星探測器于2014年到達木星族彗星67P/CG,在軌期間獲得了大量的高精度的觀測數據,幫助人類對彗星這類可能記錄著太陽系起源和演化重要信息的小天體有了更深入的了解和認識。羅塞塔上搭載的毫米波探測器MIRO核心科學目標是探測彗星彗發主要氣體成分和豐度、同位素比值及彗核表面和亞表層的溫度。在為期兩年的觀測中,MIRO獲得了大量的信息量極為豐富的數據,然而傳統的研究工作基于一維球對稱模型,忽略了67P/CG的極不規則的形狀(圖3)、太陽光照及彗核表面活動性的分布等因素,這無法滿足解讀高精度MIRO觀測數據的需求。因此,如何將這些因素考慮在內,并建立更為合理的三維模型以更好的分析和理解MIRO的觀測數據,獲得更多有價值的信息成為一個難點問題。 

  為了精確解譯MIRO觀測數據,來自紫金山天文臺的趙玉暉副研究員與馬普太陽系研究所的Ladislav Rezac博士等合作建立了一套融合三維形狀模型、光照模型、氣體揮發模型、三維彗發模型、三維輻射轉移模型及觀測模擬和譜線模擬等多個模塊的三維“數據分析”工具,并分別應用于MIRO早期水分子觀測數據的研究和遙感儀器觀測數據三維效應的分析。 

  該模型是目前唯一考慮彗核的復雜形狀、自轉狀態、光照情況等因素的三維輻射轉移模型,相對傳統的一維模型可以顯著地提高對毫米和亞毫米波段彗發分子譜線高精度觀測數據的擬合結果,從而更深入精確地解讀觀測數據蘊含的彗發特性。該模型將用于對MIRO更多觀測數據的分析以及對ALMA,JCMT等地面觀測設備獲得的高精度彗星彗發觀測數據的解讀,獲取太陽系不同族群含冰小天體彗發中分子成分和豐度的更多更精確的信息,同時也為我國未來小天體探測任務中主帶彗星探測和正在預研階段的長周期彗星探測等任務提供重要的科學依據。 

    兩項工作的第一作者分別為紫金山天文臺趙玉暉博士和馬普太陽系研究所的LadislavRezac博士,合作者包括德國馬普太陽系研究所的Paul Hartogh博士,紫金山天文臺季江徽研究員,美國西南研究所的Raphael Marschall博士及德國布倫瑞克大學的Uwe Keller博士等。研究工作得到國家自然科學基金中德合作項目(11761131008)、國家自然科學基金(11673072, 11633009,11661161013, 11473073)、中國科學院創新交叉團隊、中國科學院行星科學重點實驗室等項目資助。 

  文章鏈接1https://doi.org/10.1093/mnras/stz2686 

  文章鏈接2https://doi.org/10.1051/0004-6361/201935389 

1 利用三維模型對彗核表面不同區域的活動性(左上:均勻,右上:Imhotep活躍,左下:Hapi活躍)模擬得到的MIRO觀測到的分子柱密度(藍色圈)及對應譜線(右下),與MIRO觀測數據比較表明Hapi區域在這一時期相對較強的活動性(Zhao et al., 2019)。 

2 67P/CG表面不同區域對MIRO觀測數據的貢獻(顏色表示與貢獻最大值的比值)和MIRO的視場在彗核表面的投影(白色圓)之間的關系(左上:彗核表面光照分布,右上、左下和右下分別表示探測器距離彗核表面2.5km,5km20km),表明遙感觀測數據大部分時間來自于幾乎“整個”表面的貢獻,不能與儀器視場在彗核表面投影區域的物理特性和活動性進行簡單關聯(Rezac et al., 2019)。 

3 67P/CG復雜的形狀及光照導致的表面溫度(左)和水分子產生率(右)的分布(Zhao et al., 2019)。 

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