596号小行星变身之谜

文献一

标题:Collisional Excavation of Asteroid (596) Scheila

作者:Bodewits, D.; Kelley, M. S.; Li, J.-Y.; Landsman, W. B.; Besse, S.; A’Hearn, M. F.

索引:ApJ, 733, L3

文献二

标题:Hubble Space Telescope Observations of Main-belt Comet (596) Scheila

作者:Jewitt, David; Weaver, Harold; Mutchler, Max; Larson, Stephen; Agarwal, Jessica

索引:ApJ, 733, L4

文献三

标题:Near Infrared Observations of Comet-Like Asteroid (596) Scheila

作者:Yang, Bin; Hsieh, Henry

索引:arXiv:1107.3845 (accepted by ApJ)

2010年12月12日拍摄的Scheila,Kevin Heider摄

背景简介

  2010年12月10日发生了一件神奇的事:天文学家们发现一颗主带小行星竟然如彗星一般长出了一条“尾巴”。当然,这样的事情也并不是没有过—— 有一个极其特殊的、被称为“主带彗星”的群族,就属于小行星带的另类,但它们一般在高分辨率观测下就乖乖现形了。但这次,596号小行星“Scheila”并非如此!发现一百多年来,数百次的观测都没有发现它的任何异常之处。莫非,这是小行星中的花木兰?但花木兰年代毕竟狗仔队事业还不太发达,充其量留下一篇《木兰词》而已。但在这个互联网世纪,当然就今非昔比啦。各路科学家们轮番而上,各显神通,意欲挖掘出Scheila“男扮女装”或是“女扮男装”后面的秘密。

  假如一个GG突然以MM的样貌出现,那不外乎只有两种可能:第一种,他/她本身就是MM,只不过相当长一段时间内女扮男装,蒙骗了世人;另一种,当然就是他心血来潮决定玩玩cosplay,然后不幸被狗仔队抓个正着了。同样,Scheila要么本来就是一颗“主带彗星”,要么是由于某种原因(比如被撞击)突然展现了彗星样貌。如果我们要做个研究的话,当然就得查清这个问题。

  这里要介绍的三篇论文(严格来说是通讯),思路都很简单,刊物档次也很高(ApJ),最妙的是入题角度各有不同,读起来颇有“穿针引线”的感觉,类似于easy模式的tutorial一般,故记之以飨诸圣。

数据获取及分析

  这三篇论文各自采用了不同的观测手段,但分析手段有相当的共同点。

1. Bodewits et al.

  Bodewits et al.用了搭载在Swift探测器上的UV/Optical Telescope (Roming et al. 2005)在撞击事件报告之后4天立即进行了测光。他们相当精确地测定了Scheila本身以及其“尾巴”的色指数,结果发现尾巴的色指数和太阳一致,而Scheila本身则偏红。同时,他们还首次得到了Scheila在290nm-500nm之间的谱线(地面是很难做到这点的),并和鹿林彗星的谱线进行了比较。重要发现之一是Scheila并没有展现出在鹿林彗星上出现的几条发射线,比如OH、CN等。

  同时,根据影像上尾巴大小、受太阳风影响的形态以及已获得测光结果,加上前人的研究工作(Hsieh et al. 2004, Jewitt & Meech 1987, Schleicher et al. 1998等)以及一些必要且合理的假定,作者估计出微粒的喷射速度以及总质量。通过分别和不同种类的现象——比如正常/不正常的彗星物质抛射(如通常的半人马天体以及P/2010 A2),以及撞击(坦普尔彗星)——的比较,作者发现,Scheila这次不正常的活动更接近于受撞击引起的效果。根据观测数据分析,作者推断撞击事件是由一颗直径至多100米的小行星引起的。

2. Jewitt et al.

  Jewitt et al.(对,就是发现首个KBO的那位David Jewitt,前段时间他跳槽到了UCLA)则直接动用了HST,分别使用600nm附近的中带和宽带滤镜进行观测,所用的方法和Bodewits et al.在测光上的思路比较接近,不过Jewitt et al.是在撞击事件之后数星期(分别是12月27日及次年1月4日才进行了观测。由于两次观测时间间距比Bodewits et al.的间距(仅1天)要长,使得Jewitt et al.对抛射颗粒性质以及动态的估计更具说服力。由于Jewitt et al.的观测是在比较常见的光学波段做出的,他们也可以很方便的和以往的测光资料(诸如Warner 2006, Warner 2010)进行比较,结果发现Scheila在测光上(比如绝对星等)和事件之前并没有什么变化。

  这两篇论文中我觉得很有意思的一点是他们如何利用高分辨率测光的数据来估计尘埃的截面(进而估计尘埃的总质量)的。以Jewitt et al.的工作为例,他用了如下公式:

C_{c} = C_{n} (10^{0.4 \Delta V} - 1)

  其中C_{c}是尘埃截面,C_{n}是核截面,\Delta V是总星等和核星等。因为Warner的工作已经估计出了Scheila的绝对星等和参数G(也就是直径D),因此核截面可以很简单地计算出来。通过选取一定的测光孔径,\Delta V也可以很方便的求出,剩下的问题就可以用高中数学解决了。顺带提一提花絮,因为Warner其实是一名业余爱好者(但他是相当牛的业余爱好者了,频繁在有关的学术会议上现身甚至作特邀报告),他的结果一般总是发在一份名不见经传的小杂志上(Minor Planet Bull.——谁又知道Scheila突然如此大红大紫呢),结果Bodewits et al.并不知道Warner的工作,用了一套相当复杂的办法求出C_{c}。当然了,思路是差不多的,结果也是在一个数量级上。随后,通过取一个合理的颗粒直径(1 \mu m)以及密度(2000 kg m^{-3}),就可以算出尘埃总质量了。

  Jewitt et al.将论文差不多一半都用于做一个相当理论性的讨论,看得让人头晕,大致是说如果Scheila含有冰的话,那彗星特征不会在一个月内就几乎消失的。这方面还是Bodewits et al.直接用找谱线的办法简单地解决了。当然,J家用纯光学的办法,也只能如此讨论了,但还是对B家的结果是个很好的补充。除此之外,他还更精确地将撞击物的大小估计在35m左右,同时在大约100m的下限范围内搜寻了Scheila的卫星或者撞击残骸(虽然结果是没有找到)。

3. Yang & Hsieh

  Yang & Hsieh虽然没有能搞到天上飞的家伙来八卦Scheila,但他们也分别使用了Subaru和IRTF在第一时间进行观测,而且观测波段是大概1-5 \mu m的红外区。至此,Scheila在光学波段的“拼图”可谓全了。

  Yang & Hsieh的思路和Bodewits et al.的接近,即首先搜寻吸收线(尤其是3.1 \mu m附近水冰的吸收线),这当然是没找到的。当然,由于数据内在不确定度的原因,结论只能说水冰不可能大量存在。作者随后将这一谱线与两种碳质球粒陨石进行了比较。

  这里首先要简单介绍一下陨石的分类(可参考Wikipedia相关词条台湾众辰公司维护的网页),我前段时间写一篇论文的时候也被陨石分类搞得一头雾水,最后不得不避而不谈。

      陨石可以分为石陨石(stony/rocky)、铁陨石(iron/metallic)和石铁陨石(stony-iron/mixtures)三种。

      石陨石可以分为碳质球粒陨石(carbonaceous chondrites)、普通球粒陨石(ordinary chondrite)、顽火石类球粒陨石(enstatite chondrite)等。约90%的陨石均属于球粒陨石。

      铁陨石分为火成铁陨石(magmatic)和非火成铁陨石(non-magmatic)两种。石铁陨石分为橄榄陨铁(pallasites)和中陨铁(mesosiderite)两种。

      现在让我们看看碳质球粒陨石和普通球粒陨石,其中普通球粒陨石占了球粒陨石中的95%。普通球粒陨石分为H、L和LL三种,大概以化学成分划分。碳质球粒陨石只占3.5%,但却根据化学成分的不同分为CI、CO、CM等等很多属,真是讨厌。

      Yang & Hsieh使用了Tagish Lake(C类未知属)和Mighei(CM属)两种陨石作为研究对照。

  看完这些讨厌的陨石,我们还是关心一下Yang & Hsieh的对照结果吧。他们发现,Tagish Lake的谱线和Scheila的谱线吻合得很好,Mighei则稍微偏差一些。但两块陨石在2.7-2.8 \mu m附近的OH吸收线却是Scheila所没有的。之前以及作者自己的测光结果显示Scheila属于D型或T型小行星——一种比较接近彗核的小行星,但Scheila起码在观测上没有能表现出表面以及浅层地表(如果接受撞击说)存在水冰的证据,这是个挺有意思的发现。

  最后的讨论也是比较了Scheila以及主带彗星的异同,同时阐述了撞击说的合理之处。虽然这篇文章在时间上没有能抢过Bodewits(Jewitt不算,因为好像Yang读博的时候就跟着他),但却有着完全不同的切入角度(红外波段以及陨石的比较),向我们展示了“锦上添花”也可以添得分量十足。

总结

  这三篇文章,研究现象是相同的,思路也是大同小异,但从观测手段到论证角度都有所不同:不仅覆盖了相当广的波段(只有射电没用上了——但Scheila距离遥远,无法用雷达观测),而且也用了不同的方式进行讨论(比如,与类似天体进行比较;与落到地上的天外来客进行比较)。可以说,菜是同一种菜,但做法却各有不同,味道那是各具特色,个人觉得相当有学习参考价值。

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