カイパーベルト天体の初期進化における氷の昇華

揮発性物質の昇華平衡温度から考えて２００AU以上で形成されたアロコスが４４AUに移動するまで保持するためにはガス化した後アモルファス氷に閉じ込められた状態で太陽系外縁部を旅したと考えるのが辻褄が合うらしい。以下、機械翻訳。
カイパーベルト天体の初期進化における氷の昇華
2023 年 ４月 １０日
概要
短周期彗星の祖先と思われるアロコスなどのカイパーベルト天体は、大きな日心距離で形成され、進化しました。
周囲温度が揮発性の氷を保存するのに十分に低いと思われる距離。 詳細数値による
シミュレーションでは、無定形の水の氷、ほこり、および他の氷で構成される小さな天体の長期的な進化をたどります。
彗星でよく観測される揮発性種。 熱源は太陽放射と短寿命の崩壊です。
放射性核種。 物体は非常に多孔質であり、内部で放出されたガスは多孔質媒体を通って流れます。 最も揮発性
氷、CO および CH4 は、100 Myr のオーダーの時間スケールで中心まで枯渇することがわかっています。 昇華面
表面から内部へと進行し、内部の温度が十分に上昇すると、全体的にバルク昇華します。
内部は揮発性の氷の含有量を、完全に失われるまで徐々に減らします。 互換性のある他のすべての氷は生き残ります
New Horizons が Arrokoth で収集したデータは、メタノール、およびおそらく H2O、CO2、NH3、および C2H6 の存在を示しています。
しかし、超揮発性物質はありません。 短寿命放射性核種の効果は、昇華平衡温度を上昇させ、温度を低下させることです。
揮発性の枯渇時間。 かさ密度、存在比、日心距離の影響を考慮します。 100 au では、CO は
枯渇しますが、CH4 は薄い外層を除いて現在まで生き残っています。 CO は彗星で豊富に検出されているため、結論付けます
活発な彗星の揮発性の高い種の源は、非晶質の氷に閉じ込められたガスでなければならない.
キーワード: 彗星: 一般 – カイパー ベルト: 一般 – カイパー ベルト: 個別: アロコス

1 はじめに
始原微惑星と矮星からなるカイパーベルト
惑星 (Davies et al. 2008) のソース領域であると考えられています。
木星系彗星 (Peixinho et al. 2020、およびその中の参考文献)。
2019 年 1 月、最初の発見から約 30 年が経過しました。
Jewitt らによる小さなカイパー ベルト天体 (KBO)。 (1992)、ニュー ホライズンズは、小さな、おそらく手付かずの KBO — アロコスを訪問しました。
(486958) - 太陽から平均 44 天文単位の距離にあり、彗星をよりよく理解するのに役立つクローズアップ情報を提供します。 と
離心率が 0.03 の場合、アロコスの軌道はほぼ円形であり、太陽系の遠方の惑星によって乱されることはありません。 であると考えられている.
コールド クラシック カイパー ベルト (CCKB) 集団 (McKinnon et al. 2020) のメンバーであり、多かれ少なかれ動的に乱されていない天体を含み、太陽系の元の原始惑星系円盤の遠い遺物であると考えられています。 したがって、アロコスが形成された可能性が最も高い
4.6Gyr前に設置され、それ以来、現在の近くにとどまりました。
大きな日心距離 (Stern et al. 2019)。
Arrokoth は、2 つの別個の、サイズの異なる葉を持つ 2 葉状の形状をしていることが判明しました。 二葉状の形状は、それが形成されたことを示しています
物理的に接触している以前は別々だった物体のペアによって
互いに (McKinnon et al. 2020)。 アロコスの合併
推測されるかさ密度は非常に低い (Keaneら。 2022)、つまり、結合するオブジェクトの構造と構成は大部分が保存されているはずです。
球体の直径約19kmに相当するアロコスの大きさは、その形成後に内部進化を駆動するのに十分な大きさ(Stern et al. 2019)。
したがって、物理的、化学的、および外側の太陽系星雲の降着条件、特にその構成 (Lisse et al. 2021)。
それにもかかわらず、KBOの子孫である木星系の彗星は、
揮発性物質が豊富で、その中には CO などの超揮発性種があります。
CH4 または N2 (Bockelée-Morvan & Biver 2017)、ニュー ホライズンが検出されました
メタノールの氷だけであり、おそらく、高度の不確実性を伴います。
H2O、CO2、NH3、および C2H6 の痕跡(Stern et al. 2019; Grundyら。 2020)、それらはすべて中程度から低いボラティリティです。 不在
地表での超揮発性物質の量は実際に予想されていました (Moore et al.2018)。
これは、揮発分除去が行われたに違いないことを意味しますArrokoth および KBO 全般 (Bockelée-Morvan et al. 2001)、
しかし問題は、その程度です。 確かに、太陽光による揮発性物質の損失
放射線誘起昇華は、さまざまなモデルによって考慮されてきました
および近似 (例: De Sanctis et al. 2001; Choi et al. 2002;Steckloff等。 2021; リッセ等。 2021; クラール等。 2021; デビッドソン
2021)、しかし結論はさまざまです。 たとえば、Kral ら。 (2021) クレーム
約 4 km を超える KBO は、4.6 以降も CO 氷を含むことができる
進化のGyr、Lisse et al。 (2021) CO およびまた
N2 と CH4 は現在存在しないだけでなく、存在するはずでした。
アロコスの歴史の最初の数百万年の間に失われました。
この論争により、私たちは次の問題を再考するようになりました。
太陽系の年齢にまたがる詳細な進化計算、およびさまざまな重要なパラメーターの影響をチェックすることにより、小さなKBOでの揮発性の枯渇。 セクション 2 では、次のように質問に対処します。
簡単な分析見積もり; セクション 3 では、数値進化モデルと基本的な仮定について簡単に説明します。 セクション 4 で
進化計算の結果を記述し、議論します。
セクション 5 で結論を要約します。


図 1. モデルに含まれる揮発性物質の飽和蒸気圧。
明らかに、CO、CH4 のみが一般的な低温で関連します。
続いてC2H6。


図 2. によって示される昇華フロントと内部昇華の進行
進化中の一連の時間における CO と CH4 の氷の密度と深さ。


図 3. モデル A ～ D の中心温度の変化 (モデル A と B は、短命の放射性同位体。
モデル C と D は、熱時間スケールでの表面からの太陽熱が浸透して加熱され始めます。


図 4. N2 を含むモデル Bo の CO、CH4、および C2H6 の深さプロファイル (左)
パネル) およびモデル Av (右のパネル) は、20 au の太陽中心距離にあります。 の
N2 なしのモデル Bo のプロファイル (図示せず) は、非常に優れていることがわかりました。
似ている。 昇華フロントの前の揮発性強化層は明らかに
見た。 プロファイルの粗さは、結果のまばらなサンプリングによるものです。


図 5. ~27 Myr の進化後のモデル Av の CH4 の深度プロファイル。
昇華フロントの前進、背後の密な層の構築
前線と緩やかな内部枯渇がはっきりと見られます。 豊かさ
深さ 1 km から中心までは同じです。


図 6. モデル Bo の 15 Myr における温度プロファイルの変化
20 au の太陽中心距離 (上部パネル) で、モデル Av の場合は 20 au で、
40 au と 80 au (上から下の次のパネル)。 の違い
モデル Bo と Av - 異なる組成 - 同じ距離でかろうじて
目立つ。


図 7. 揮発性物質の生成率、それ自体 (単独でマーク) または
から得られた日心距離の関数としての混合物（でマーク）
式(16)の解。

5 まとめと結論
新人が訪れたアロコスなどのカイパーベルト天体
2019年のホライゾン宇宙ミッションは、おそらく形成され進化した
周囲温度があった大きな日心距離で
表面にない場合でも、揮発性の氷を保存するのに十分に低い場合、
おそらくインテリアに。 本研究の目的は、
非晶質で構成される小さな体の長期的な進化
水の氷、ほこりの粒子、およびその他の揮発性種の氷
彗星で一般的に観測される: CO、CH4、C2H6、CO2、NH3、C2H2、N2 など。
熱源は、太陽放射と短寿命放射性核種、26Al と 60Fe の崩壊でした。 ダストにハイアイスを採用しました
比、枯渇時間スケールの上限を取得します (最悪のシナリオ)。
ガスが放出されるように、高度に多孔質な物体を考慮しました。
内部は多孔質媒体を通って流れる可能性があります。
想定される条件では、円軌道の距離は44 AU、高速回転体（つまり、均一な表面温度）、
密度 500 kg /m^3 — 最も揮発性の氷、CO および CH4、
体の中心部でさえ枯渇していることが判明した。
100 Myr のオーダーの時間スケール。 昇華最前線の進歩
表面から内側へ、そして内部の温度が
十分に上昇し、内部全体のバルク昇華が減少しました
これらの氷が完全になくなるまで、徐々に揮発性の氷の内容
失った。 他のすべての氷は生き残った。
Arrokoth の観察結果の分析は、私たちの見解をある程度支持しています。
結果。 メタノールのみが高濃度で検出されましたが、
自信を持って、これらすべての氷 (H2O、CO2、NH3、および C2H6) が呼び出されました
非常に低い確率ではありますが、データを説明するために (Grundy et al.2020)—しかし、それと互換性のある超揮発性物質は見つかりませんでした.
私たちの進化計算の結果を、同様の数値計算によって過去に得られた結果と比較することは興味深いことです。
モデル。 崔ら。 (2002) は同じ問題に取り組んだが、彼らは、内部で放出されたガスは瞬時に逃げると推測した.
昇華が深いところで起こったとしても。 この仮定には 2 つの
効果: 揮発性物質の枯渇時間を短縮し、内部温度を大幅に上昇させます。
細孔内で達成される圧力平衡。 デサンクティス等。 (2001) した
内部で昇華したガスの拡散とその拡散を考える
結果は私たちのものと非常に似ています。 しかし、20 年前の限られた計算手段のために、彼らはほんの数例しか考慮していませんでした。
超揮発性種の代表としての CO のみ。
主な結論は次のように要約できます。
• カイパー ベルトの距離では、彗星のサイズ (半径数十 km まで) はほとんど失われています。
揮発性の氷 - それらが最初の構成に氷として含まれていた場合 混合物 (水や CO2 氷に閉じ込められるのではなく) — 時間スケールで
それは太陽系の年齢よりもはるかに短いです。
• 同時に昇華する揮発性混合物は保持されません。
初期質量比。 したがって、何らかの動的な理由で、
昇華プロセスが停止します（例えば、より離れた場所への移動によって）
地域）、オブジェクトの化学組成は反映されません
太陽系星雲の任意の領域における周囲の組成。
• 昇華時間は、本体の密度の影響を受けます。
相反する方法: 密度が高い (気孔率が低い) ほど、熱が増加します。
内部温度が高くなる導電率。 したがって、揮発性損失が強化されます。 ただし、密度が高いということは、
同じ太陽エネルギー入力に対してより大きな氷の質量、より長い時間につながる揮発性の枯渇時間。
• 揮発性の枯渇は、昇華フロントの後退によって進化します。
および細孔内の内部バルク昇華による。 ガスは外側に流れます
内部と昇華フロントの両方向。 結果として、前線の後ろに、より密度の高い層が形成され、活動的な氷が豊富になります。
種族。
• 長寿命放射性核種の影響は無視できます。 エネルギー
短寿命放射性核種から放出され、熱平衡に達する
超揮発性物質の昇華速度の典型的な温度 (約 20 K) で昇華します。
• 100 au の距離では、CO は枯渇しますが、CH4 は生き残ります。
現在、数メートルの厚さの外層を除いて。 距離で
200 au の CO でさえ、深さ 10 m まで生き残ります。
KBO は短周期の原型と考えられているため、
彗星状のコマでは CO が豊富に検出されるため、
この研究の結論は、活発な彗星は、無定形の氷に閉じ込められたガスであり、おそらく CO2 に閉じ込められている
氷。 この結論は、観察結果から支持を得ています。
例えば、ロスらの。 （2020）、COの生産率を見つけた人、CH4 と C2H6
彗星 21P/Giacobini-Zinner では、
H2O。 実際、KBO における超揮発性氷の原初の存在は、
非晶質の氷とその中に閉じ込められた揮発性物質を保護します。
温度は遠い
この結論は、観察結果から支持を得ています。
例えば、ロスらの。 （2020）、COの生産率を見つけた人、CH4 と C2H6
彗星 21P/Giacobini-Zinner では、H2O。 実際、KBO における超揮発性氷の原初の存在は、
非晶質の氷とその中に閉じ込められた揮発性物質を保護します。
水氷の結晶化範囲をはるかに下回る温度。 したがって
ただし、独立した種として、超揮発性種はおそらく
彗星が活性化する前に失われると、それらは閉じ込められていることを保証します
対応するものは彗星活動で検出され、アモルファス氷の結晶化。