О возможностях оценки свойств частиц в экзосфере активного астероида по деталям в УФ- и видимом диапазонах спектров отражения

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

В спектрах отражения активных астероидов (АА), измеренных в видимом и ближнем УФ-диапазонах, наблюдаются необычные детали, которые, вероятно, обусловлены рассеянием света в экзосфере, образовавшейся во время активных процессов на астероиде. Для оценки возможностей количественной интерпретации этих деталей рассчитаны спектры отражения АА, окруженного экзосферой, состоящей из агрегатных субмикронных частиц разного состава и морфологии, а также однородных субмикронных частиц. Размеры составляющих агрегаты частиц приняты соответствующими размерам зерен в агломератах кометной и межпланетной пыли. Показано, что рассеяние на агрегатах субмикронных частиц формирует на длинах волн короче 0.6 мкм интерференционные детали, положение которых определяется как размерами этих частиц (но не самих агрегатов), так и действительной частью их показателя преломления. Структура агрегата и вариации (до ±20%) размеров составляющих частиц слабо влияют на положение этих деталей. Форма спектра на более длинных волнах также зависит от размеров зерен в агрегатах и может служить дополнительным критерием для оценки этого параметра. Расчеты, выполненные для агрегатных частиц, поглощающих в коротковолновом диапазоне (что характерно для многих веществ, которые можно ожидать обнаружить на АА), показывают, что поглощение существенно ослабляет интерференционные детали, появляющиеся в этом диапазоне. Поэтому попытки обнаружения сильно поглощающих частиц в экзосфере и оценки их свойств по таким деталям в спектре не могут дать надежных результатов, в отличие от моделирования для частиц слабо поглощающих материалов. Присутствие в экзосфере АА однородных субмикронных частиц со слабым поглощением вызывает устойчивый рост интенсивности на длинах волн короче 0.4−0.5 мкм. Спектральные измерения на длинах волн короче 0.35 мкм могут помочь более уверенной оценке свойств слабо поглощающих, как агрегатных, так и однородных частиц в экзосферах АА.

Об авторах

Е. В. Петрова

Институт космических исследований Российской академии наук (ИКИ РАН)

Email: epetrova@iki.rssi.ru
Россия, Москва

В. В. Бусарев

Астрономический институт им. П.К. Штернберга Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова (ГАИШ МГУ)

Автор, ответственный за переписку.
Email: epetrova@iki.rssi.ru
Россия, Москва

Список литературы

  1. Бусарев В.В., Щербина М.П., Барабанов С.И., Ирсмамбетова Т.Р., Кохирова Г.И., Хамроев У.Х., Хамитов И.М., Бикмаев И.Ф., Гумеров Р.И., Иртуганов Э.Н., Мельников С.С. Подтверждение сублимационной активности примитивных астероидов Главного пояса 779 Нины, 704 Интерамнии и 145 Адеоны и ее вероятные спектральные признаки у 51 Немаузы и 65 Цибелы // Астрон. вестн. 2019. Т. 53. С. 273−290. https://doi.org/10.1134/S0038094619040014. (Busarev V.V., Shcherbina M.P., Barabanov S.I., Irsmambetova T.R., Kokhirova G.I., Khamroev U.Kh., Khamitov I.M., Bikmaev I.F., Gumerov R.I., Irtuganov E.N.,Mel’nikov S.S. Confirmation of the sublimation activity of the primitive Main-Belt asteroids 779 Nina, 704 Interamnia, and 145 Adeona, as well as its probable spectral signs on 51 Nemausa and 65 Cybele // Sol. Syst. Res. 2019. V. 53. P. 261–277. 10.1134/S0038094619040014.)
  2. Петрова Е.В., Тишковец В.П., Йокерс К. Поляризация света, рассеянного телами Солнечной системы, и агрегатная модель пылевых частиц // Астрон. вестн. 2004. Т. 38. С. 354–371. https://www.elibrary.ru/title_about_new.asp?id=7665. (Petrova E.V., Tishkovets V.P., Jockers K. Polarization of light scattered by Solar System bodies and the aggregate model of dust particles // Sol. Syst. Res. 2004. V. 38. P. 309–324.)https://doi.org/10.1023/B:SOLS.0000037466.32514.fe
  3. Bockelée-Morvan D., Crovisier J., Erard S., Capaccioni F., Leyrat C., Filacchione G., Drossart P., Encrenaz T., Biver N., de Sanctis M.-C., Schmitt B., Kührt E., Capria M.-T., Combes M., Combi M., Fougere N., Arnold G., Fink U., Ip W., Migliorini A., Piccioni G., Tozzi G. Evolution of CO2, CH4, and OCS abundances relative to H2O in the coma of comet 67P around perihelion from Rosetta/VIRTIS-H observations // Mon. Notic. Roy. Astron. Soc. 2016. V. 462 (Suppl. 1). P. S170–S183. https://doi.org/10.1093/mnras/stw2428
  4. Bradley J.P., Sandford S.A., Walker R.M. Interplanetary dust particles // Meteorites and the early Solar system / Eds Kerridge J.F., Matthews M.S. Tucson: Univ. Arizona Press, 1988. P. 861–895.
  5. Bradley J. The astromineralogy of interplanetary dust particles // Astromineralogy / Ed. Henning T. Berlin Heidelberg: Springer, 2003. P. 217–235.
  6. Busarev V.V., Makalkin A.B., Vilas F., Barabanov S.I., Scherbina M.P. New candidates for active asteroids: Main-belt (145) Adeona, (704) Interamnia, (779) Nina, (1474) Beira, and near-Earth (162,173) Ryugu // Icarus. 2018. V. 304. P. 83–94.
  7. Busarev V.V., Petrova E.V., Irsmambetova T.R., Shcherbina M.P., Barabanov S.I. Simultaneous sublimation activity of primitive asteroids including (24) Themis and (449) Hamburga: Spectral signs of an exosphere and the solar activity impact // Icarus. 2021a. V. 369. 114634. https://doi.org/10.1016/j.icarus.2021.114634
  8. Busarev V.V., Petrova E.V., Shcherbina M.P., Burlak M.A., Belinski A.A. Interstellar comet 2I/Borisov: Dust composition from multiband photometry and modelling // Mon. Notic. Roy. Astron. Soc. 2021b. V. 502(1). P. 1882–1894. https://doi.org/10.1093/mnras/staa4022
  9. Carvano J.M., Lorenz-Martins S. Modeling the effects of a faint dust coma on asteroid spectra // Proc. IAU Symp. № 263. Icy Bodies of the Solar System. 2009. P. 223–226. https://doi.org/10.1017/S1743921310001791.
  10. Chandler C.O., Curtis A.M., Mommert M., Sheppard S.S., Trujillo C.A. SAFARI: Searching asteroids for activity revealing indicators // Publ. Astron. Soc. Pacif. 2018. V. 130. id. 114502. https://doi.org/10.1088/1538-3873/aad03d
  11. Dlugach J.M., Mishchenko M.I., Mackowski D.W. Numerical simulations of single and multiple scattering by fractal ice clusters // J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer. 2011. V. 112. P. 1864–1870. https://doi.org/10.1016/j.jqsrt.2011.01.038
  12. Dlugach J.M., Ivanova O.V., Mishchenko M.I., Afanasiev V.L. Retrieval of microphysical characteristics of particles in atmospheres of distant comets from ground-based polarimetry // J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer. 2018. V. 205. P. 80–90. https://doi.org/10.1016/j.jqsrt.2017.10.002
  13. Dorschner J., Begemann B., Henning T., Jaeger C., Mutschke H. Steps toward interstellar silicate mineralogy. II. Study of Mg-Fe-silicate glasses of variable composition // Astron. and Astrophys. 1995. V. 300. P. 503–520.
  14. Draine B.T., Lee H.M. Optical properties of interstellar graphite and silicate grains // Astrophys. J. 1984. V. 285. P. 89–108.
  15. Güttler C., Mannel T., Rotundi A., Merouane S., Fulle M., Bockelée-Morvan D., Lasue J., Levasseur-Regourd A.C., Blum J., Naletto G., Sierks H., Hilchenbach M., Tubiana C., Capaccioni F., Paquette J.A., Flandes A., Moreno F., Agarwal J., Bodewits D., Bertini I., Tozzi G.P., Hornung K., Langevin Y., Krüger H., Longobardo A., Della Corte V., Tóth I., Filacchione G., Ivanovski S. L., Mottola S., Rinaldi G. Synthesis of the morphological description of cometary dust at comet 67P/Churyumov-Gerasimenko // Astron. and Astrophys. 2019. V. 630. id. A24. https://doi.org/10.1051/0004-6361/201834751
  16. Hansen J.E., Travis L.D. Light scattering in planetary atmospheres // Space Sci. Rev. 1974. V. 16. P. 527−610.
  17. Hendrix A.R., Vilas F. C-complex asteroids: UV-visible spectral characteristics and implications for space weathering effects // Geophys. Res. Lett. 2019. V. 46. P. 14307−14317. https://doi.org/10.1029/2019GL085883
  18. Hsieh H.H., Novaković B., Kim Y., Brasser R. Asteroid family associations of active asteroids // Astron. J. 2018. V. 155. id. 96. https://doi.org/10.3847/1538-3881/aaa5a2
  19. Jewitt D., Hsieh H.H. The Asteroid-Comet Continuum. Chapter in press for the book Comets III. / Eds Meech K., Combi M. Univ. Arizona Press. arXiv:2203.01397v1 [astro-ph.EP] 2 Mar 2022. https://doi.org/10.48550/arXiv.2203.01397.
  20. Jovanović L., Gautier T., Protopapa S. Optical constants of Pluto aerosol analogues from UV to near-IR // Icarus. 2021. V. 362. id. 114398. https://doi.org/10.1016/j.icarus.2021.114398
  21. Kimura H., Kolokolova L., Mann I. Optical properties of cometary dust: Constrains from numerical studies on light scattering by aggregate particles // Astron. and Astrophys. 2003. V. 407. P. L5−L8. https://doi.org/10.1051/0004-6361:20030967
  22. Kolokolova L., Hanner M.S., Levasseur-Regourd A.-Ch., Gustafson B.Å.S. Physical properties of cometary dust from light scattering and thermal emission // Comets II / Eds Festou M.C., Keller H.U., and Weaver H.A. Tucson: Univ. Arizona Press, 2004. P. 577−604.
  23. Kolokolova L., Nagdimunov L., Mackowski D. Light scattering by hierarchical aggregates // J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer. 2018. V. 204. P. 138–143. https://doi.org/10.1016/j.jqsrt.2017.09.019
  24. Kosaza T., Blum J., Okamoto H., Mukai T. Optical properties of dust aggregates. 2. Angular dependence of scattered light // Astron. and Astrophys. 1993. V. 276. P. 278–288.
  25. Lasue J., Levasseur-Regourd A.C., Hadamcik E., Alcouffe G. Cometary dust properties retrieved from polarization observations: Application to C/1995 O1 Hale–Bopp and 1P/Halley // Icarus. 2009. V. 199. V. 129–144. https://doi.org/10.1016/j.icarus.2008.09.008
  26. Li A., Greenberg J.M. A unified model of interstellar dust // Astron. nand Astrophys. 1997. V. 232. P. 566–584.
  27. Liu L., Mishchenko M.I. Scattering and radiative properties of morphologically complex carbonaceous aerosols: A systematic modeling study // Remote Sens. 2018. V. 10. id. 1634. https://doi.org/10.3390/rs10101634
  28. Lumme K., Penttilä A. Model of light scattering by dust particles in the Solar System: Applications to cometary comae and planetary regoliths // J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer. 2011. V. 112. P. 1658–1670. https://doi.org/10.1016/j.jqsrt.2011.01.016
  29. Mackowski D.W. Electrostatics analysis of sphere clusters in the Rayleigh limit: Application to soot particles // Appl. Opt. 1995. V. 34. P. 3535–3545. https://doi.org/10.1364/AO.34.003535
  30. Mackowski D.W., Mishchenko M.I. Calculation of the T matrix and the scattering matrix for ensembles of spheres // J. Opt. Soc. Am. A. 1996. V. 13. P. 2266−2278. https://doi.org/10.1364/JOSAA.13.002266
  31. Mackowski D.W., Mishchenko M.I. A multiple sphere T-matrix Fortran code for use on parallel computer clusters // J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer. 2011. V. 112. P. 2182–2192. https://doi.org/10.1016/j.jqsrt
  32. Mannel T., Bentley M.S., Schmied R., Jeszenszky H., Levasseur-Regourd A.C., Romstedt J., Torkar K. Fractal cometary dust – a window into the early Solar system // Mon. Notic. Roy. Astron. Soc. 2016. V. 462. P. S304–S311. https://doi.org/10.1093/mnras/stw2898
  33. Mishchenko M.I., Travis L.D. Satellite retrieval of aerosol properties over ocean using polarization as well as intensity of reflected sunlight // J. Geophys. Res. 1997. V. 102 (D14). P. 16989–17013. https://doi.org/10.1029/96JD02425
  34. Mishchenko M.I., Travis L.D., Kahn R.A., West R.A. Modeling phase functions for dustlike tropospheric aerosols using a shape mixture of randomly oriented polydisperse spheroids // J. Geophys. Res. 1997. V. 102 (D14). P. 16831–16847. https://doi.org/10.1029/96JD02110
  35. Mishchenko M.I., Travis L.D., Lacis A.A. Scattering, Absorption, and Emission of Light by Small Particles. Cambridge: Cambridge Univ. Press, 2002. 462 p.
  36. Petrova E.V., Jockers K., Kiselev N.N. Light scattering by aggregates with sizes comparable to the wavelength: an application to cometary dust // Icarus. 2000. V. 148. P. 526−536. https://doi.org/10.1006/icar.2000.6504
  37. Protopapa S., Sunshine J.M., Feaga L.M., Kelley M.S.P., A’Hearn M.F., Farnham T.L., Groussin O., Besse S., Merlin F., Li J.-Y. Water ice and dust in the innermost coma of comet 103P/Hartley 2 // Icarus. 2014. V. 238. P. 191–204. https://doi.org/10.1016/j.icarus.2014.04.008
  38. Ramirez S.I., Coll P., da Silva A., Navarro-González R., Lafait J., Raulin F. Complex refractive index of Titan’s aerosol analogues in the 200–900 nm domain // Icarus. 2002. V. 156 P. 515–529. https://doi.org/10.1006/icar.2001.6783
  39. Rondón-Briceño E., Carvano J.M., Lorenz-Martins S. A study of the effects of faint dust comae on the spectra of asteroids // Mon. Notic. Roy. Astron. Soc. 2017. V. 468. P. 1556–1566. https://doi.org/10.1093/mnras/stx536
  40. Rouleau F., Martin P.G. Shape and clustering effects on the optical properties of amorphous carbon // Astrophys. J. 1991. V. 377. P. 526–540.
  41. Tishkovets V.P., Petrova E.V., Jockers K. Optical properties of aggregate particles comparable in size to the wavelength // J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer. 2004. V. 86. P. 241−265. https://doi.org/10.1016/j.jqsrt.2003.08.003
  42. Tishkovets V.P., Petrova E.V., Mishchenko M.I. Scattering of electromagnetic waves by ensembles of particles and discrete random media // J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer. 2011. V. 112. P. 2095–20127. https://doi.org/10.1016/j.jqsrt.2011.04.010
  43. Tishkovets V.P., Petrova E.V. Spectra of light reflected by aggregate structures of submicron particles // J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer. 2020. V. 252. id. 107116. https://doi.org/10.1016/j.jqsrt.2020.107116
  44. Warren S.G. Optical constants of carbon dioxide ice // Applied Optics. 1986. V. 25. № 16.
  45. Warren S.G., Brandt R.E. Optical constants of ice from the ultraviolet to the microwave: A revised compilation // J. Geophys. Res. 2008. V. 113. D14220. https://doi.org/10.1029/2007JD009744
  46. Zubko E., Shkuratov Yu., Videen G. Effect of morphology on light scattering by agglomerates // J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer. 2015. V. 150. P. 42–54. https://doi.org/10.1016/j.jqsrt.2014.06.023

© Е.В. Петрова, В.В. Бусарев, 2023