The Formation of Striae within Cometary Dust Tails by a Sublimation-Driven YORP-like Effect

J. K. Steckloff, S. A. Jacobson

Молекули газу, що сублімують, розсіюються на поверхні крижаної тіла таким же чином, як фотони. Це означає, що для кожної сили, з якою фотон діє на тіла, має бути сублімаційний аналог, який діє на крижані тіла. Теплові фотони, що випускаються з поверхні асиметричної форми тіл в Сонячній системі генерують чисті моменти сили, які змінюють обертання цих тіл протягом довгого часу. Довгострокове усереднення цього моменту сили називається YORP ефектом. Тут ми пропонуємо сублімаційний аналог ефекту YORP (SYORP), в якому молекули газу, що сублімують й що випускаються з поверхні крижаних тіл також генерують чисті моменти сили на тілах. Тим не менш, молекули, що сублімують, несуть імпульс від тіла з рівнем на ~ 10^4...10^5 більше ніж теплові фотони, спричинюючи значно більші моменти сили тіла. У той час як попередні дослідження сублімаційних моментів сили зосереджені на викидах з сильно локалізованих джерел на поверхнях ядер комет родини Юпітера, SYORP стосується нелокалізованих викидів по всьому тілу, що, ймовірно, має вплив на сублімаційні моменти сили невеликих крижаних шматків і динамічно молодих комет, і може бути застосоване без високої роздільна здатність КА спостережень їх поверхонь. Натомість, ми перепрофілювали рівняння YORP ефекту для обліку моменту сили, спричиненого сублімацією. Ми покажемо, що SYORP механізм найкраще відповідає спостереженням Сонце-орієнтованих смуг кометних хвостів, механізм формування яких залишається загадковою протягом десятиліть. Ефект SYORP пояснює, чому смуги спостерігаються між відстанями близько перигелію до 1 а.о. від Сонця в комет з перигеліями менше ніж 0.6 а.о., і вирішує задавнені проблеми руху достатньо матеріалу в кометних хвостах, що утворює видимі смуги. Ми покажемо, що SYORP може утворювати смуги, які відповідають тим, що спостерігалися в комети Веста, і виробляє степеневий розподіл за розмірами батьківських шматків з індексом -1.4 (-1,1...-2).

3. Sublimation-driven stria formation model

     У цій статті ми пропонуємо сублімаційний механізм формування смуг, що дозволяє відносно великим шматкам, що містять леткий кометний матеріал дрейфувати в кометний пиловий хвіст і фрагментувати швидко в дрібний пил, утворюючи смуги в пиловому хвості комет. Цей механізм також, природно, обмежує утворення спостережуваних смуг до тих пір, поки комета не досягне близької до перигелію частини своєї орбіти й неактивний за ~ 1 а.о. Ми покажемо, шляхом ретельного розгляду, терміни формування смуг й те, що цей механізм узгоджується зі спостережуваними смугами комети Веста.

     Сублімації льодів достатньо як для прискорення батьківських шматків у антисонячному, стосовно кометного ядра, напрямку, так і для розкручування батьківських шматків до їх фрагментації (тобто поділу завдяки обертанню). Оскільки сублімаційний тиск, який чиниться на освітленій півкулі багатого летючими речовинами тіла на багато порядків більший, ніж радіаційний тиск, цей механізм здатний вплинути на шматки, на багато порядків сильніше, ніж механізм тиску випромінювання. Ми припускаємо, що формування смуг відбувається в п'ять етапів: (1) батьківська брила вивільняється з ядра комети, (2) завдяки тиску сублімації батьківська брила дрейфує в антисонячному щодо ядра напрямку, одночасно збільшуючи свою швидкість обертання, (3) батьківська брила розкручується до точки ділення, (4) в результаті дочірні брили повторюють кроки 2 і 3 зі все більшою швидкістю, в результаті чого відбувається каскад фрагментації, що (5) зупиняється, коли матеріали стають малими (мікронного розміру зерна) і без летких речовин, і в цей момент тиск випромінювання панує в поведінці зерен, які формують смуги.

     Попередні дослідження впливу реактивних моментів сили сублімаційного газу на обертання кометних ядер були зосереджені на реактивних моментах сили з джетів або спостережуваних або передбачуваних на поверхні. Ці джети можуть бути панівними при обертанні для великих кометних ядер, але відносно невеликі кометні брили, обговорювані нижче, мабуть, не мають здатності створювати джети, хоча виробництво джетів погано вивчена. У цій роботі, ми припускаємо, що є постійна сублімація, що створює крутний момент на кометної брили. Ця сублімація практично ізотропна в тому сенсі, що вона випромінюється з кожного нагрітого поверхневого елемента, але дуже чутлива до форми й освітленості брили. Подібна модель для цілих ядер комет був розглянутий у минулому, але воно було попереднє, тільки еліпсоїдальної форми, або зосереджені на відповідності різних спостережних явищ.

3.1. Step 1: Parent chunks leave comet

     Ми вважаємо, що один викид (батьківської) брили містить всі матеріали, які згодом стали смугою.

     Послідовність смуг відповідає послідовності викидів ~ 10-100 м брил. Хоча пряме вимірювання цієї послідовності важке через спостережні обмеження вона, як очікується, буде проміжною з викидів великих і дрібних брил. Кентавр-комета 174P/Echeclus викинула фрагмент розміром у кілька кілометрів (Rousselot, 2008), єдиний відомий викид такого великого фрагмента. Між тим, високої роздільної здатності зображення з космічних апаратів показали, що ~ 1/3 комет родини Юпітера викидають велику кількість від дециметрових до метрових шматків у їхню внутрішню кому на швидкостях поблизу їх другої космічної швидкості (~ 1 м/с). Оскільки смуги виникають частіше, ніж викид кілометрових фрагментів, ще рідше ніж виявлення від дециметрових до метрових шматків, доцільно, щоб шматки, що формують смуги були проміжних розмірів (~ 10–100 м).

3.2. Step 2: Sublimation pressure instead of radiation pressure

     Ми вважаємо, що реактивна сила, яка діє на багаті летючими речовинами батьківськими брилами від викиду сублімаційних молекул газів достатньо щоб і прискорити батьківські брили в антисонячному відносно кометного ядра напрямку і розкрутити батьківські брили до фрагментації. Сублімаційні гази надають антисонячного прискорення багатій летючими складовими кометній речовині. Поруч із Сонцем, величина цього прискорення поводиться аналогічно світловому тиску, приблизно за тим же законом зворотних квадратів. Таким чином, це забезпечує прискорення необхідне щоб сформувати смуги. Тим не менше, оскільки тиск сублімації для льоду H₂O до 4–5 порядків сильніший, ніж радіаційний тиск, він може перевозити шматки матеріалу в кометному хвості, які 4–5 порядків радіуса більші, ніж може транспортувати сам тиск випромінювання для даного прискорення матеріалу відносно ядра.

     Ми моделюємо батьківські брили, як кулі з чистого льоду H₂O з низьким альбедо так, що вони ефективно поглинають всю сонячну радіацію, що падає. Відзначимо, що ці припущення, безумовно, роблять не точним опис реального складу і структури батьківських брил, які, ймовірно, є ускладненими агломератами льодів і негорючих матеріалів з альбедо всього лише кілька відсотків. Тим не менше, ці припущення ілюструють умови, при яких тиск сублімації максимальний, тому визначає верхню межу тиску сублімації, що діє на батьківські брили. Якщо припустити, що сублімаційний газ є в тепловій рівновазі з його вихідним льодом, і що всі події сонячного випромінювання є від або повторного випромінювання в космос або застосовується до подолання сублімації завдяки прихованої теплоти льоду показують, що тиск сублімації, діє на елемент поверхні кометного матеріалу визначається наступними 2 рівняннями. Це формулювання припускає, що кома навколо багатого летючими речовинами тіла є оптично тонкою, що справедливо для геліоцентричних відстаней, що перевищують ~ 0.05 а.о. для кометних тіл до ~ 1 км. Цей метод обчислення сублімації тиску забезпечує аналогічні результати з попередніми методами обчислення сублімаційних сил на кометні ядра, але замість цього на основі теоретичного (а не емпіричного) взаємозв'язку між тиском парів і температури, і, отже, корисні для летючих сполук, для яких існують обмежені емпіричні дані. Динамічний тиск сублімації в підсонячній точці залежно від геліоцентричної відстані показаний на рисунку.

     Після того, як батьківська брила розбивається на невеликі зерна, позбавлені летких складових, при подальшому русі тиск випромінювання більший ніж негравітаційна поведінка зерен. У цей момент тиск випромінювання утворює зі шматків тривалі контури, створюючи спостережувані смуги. Тим не менш, тиск сублімації відповідає за переміщення об'ємної маси матеріалу смуг до місця формування смуг.

6. Summary and conclusions

     Ми запропонували нову сублімаційну модель формування смуг в межах хвостів комет, що забезпечує природне пояснення, чому комети з перигеліями в межах 0.6 а.о. тільки формують смуги в межах ~ 1 а.о. від Сонця після досягнення майже перигелієвої частини орбіти. Наша модель легко дозволяє великій кількості матеріалу, транспортуватися як єдиний блок на місце формування смуг, головний недолік наявних схем формування смуг. У рамках нашого механізму, ми описуємо новий, сублімаційний аналог YORP ефекту (SYORP), який дозволяє великим (~ 10–100 м) батьківським брилам фрагментувати досить швидко, щоб сформувати смуги всередині внутрішньої частини Сонячної системи. Якщо велика кількість батьківських брил з аналогічними розмірами й формами викидаються з комети, що проходить сублімації бар'єр, то ці батьківські брили повинні виробляти раптові смуги. Тим не менш, викид батьківських брил з широким діапазоном розмірів і форм, більш ймовірне.

     Ми застосували нашу модель смуг комети Веста, і виявили, що батьківські брили з радіусами від 15 м до 110 м, що узгоджуються з очікуваними розмірами. Розміри цих батьківських брил додержувалися розподілу за розмірами з індексом -1.4 (-1.5 для батьківських брил радіусами менше ніж 50 м), що узгоджується з індексом -1,92 ± 0,20 для комет родини Юпітера з радіусом понад 1,25 км і незначно відповідно до індексу ~ 1-для ударного населення молодих ландшафтів Європи. Диференціальний розподіл за розмірами -2.4 узгоджується з 73P/Швассмана-Wachmann 3 ядра B великими фрагментами або всіх фрагментів. Диференціальний розподіл для батьківських брил менше ніж 50 м в радіусі -2.5 узгоджується з індексом розподілу частинок у внутрішній комі комети 103P/Хартлі 2 та 67P/Чурюмов-Герасименко. Механізм, відповідальний за викидання цих батьківських брил від поверхні ядра, невідомий, але ми припускаємо, що це може бути в результаті вильоту газу після кометного вибуху, що узгоджується зі спостережними розмірами батьківських брил комети 17P/Холмса і комети C/1996 В2 (Хьякутаке). Коефіцієнти SYORP батьківських брил комети Веста, 0.00029–0.00126, що знаходиться внизу очікуваного діапазону ~ 0.001–0.01. Це може бути через втрату поверхневого матеріалу, що притаманне механізму SYORP, і що може видалити асиметрію у формі тіла, що генерує сублімаційні моменти сили, які створюють SYORP ефект.

     Ми також прогнозуємо, що слабші, потенційно спостережувані смуги можуть утворюватися раніше, ніж більш легко спостережувані смуги. Тим не менше, ці ранні смуги мали б тенденцію до утворення з більш дрібних батьківських брил, і, отже, їх буде важче виявити. Крім того, наш механізм припускає, що будь-яка комета здатна викидати крижані брили можуть виробляти смуги, які можуть або не можуть бути досить великими, щоб їх спостерігали. Нарешті, ми спекулювали на можливих проміжних етапах формування смуг в нашому механізмі, що може спостерігатись. Могла б з'явитися хмара матеріалу, присутня безпосередньо перед утворенням смуг, яка може або не може бути видна на тлі пилового хвоста. Інше залежить від недосконалості каскаду SYORP фрагментації, і може з'явитися як слабкий тонкий хвіст, що знаходиться в пиловому хвості між ядром і смугами, якщо фрагментація досить недосконала і пиловий хвіст досить тьмяний.