달과 비슷한 규산염 물질이 지구 준위성 형성

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태양 주위를 도는 작은 태양계 천체의 일종인 지구 준위성(Earth quasi-satellite)에 대해 알려진 바가 거의 없습니다. 그 이유는 희미하고 관찰하기 어렵기 때문입니다. 여기에서 우리는 LBT(Large Binocular Telescope)와 LDT(Lowell Discovery Telescope)를 사용하여 준위성(469219) Kamo'oalewa의 포괄적인 물리적 특성을 수행하고 지구 근처 천체의 다른 그룹과의 친화성을 평가합니다. 우리는 (469219) Kamo'oalewa가 28.3(+1.8/-1.3)분의 주기로 회전하고 0.4~2.2 미크론에서 붉어진 반사 스펙트럼을 표시한다는 것을 발견했습니다. 이 스펙트럼은 규산염 기반 구성을 나타내지만 내부 태양계의 소행성에서 일반적으로 볼 수 있는 것 이상으로 붉어집니다. 우리는 스펙트럼을 여러 물질 유사체의 스펙트럼과 비교하고 달과 같은 규산염과 가장 잘 일치한다는 결론을 내립니다. 이 해석은 광범위한 우주 풍화를 의미하며 Kamo'oalewa가 달 물질로 구성될 수 있다는 가능성을 높입니다.

지구 준위성 5개중 가장 안정적인 Kamo'oalewa

NEO(Near-Earth object)(469219) Kamo'oalewa는 수백 년의 동적 수명을 가진 알려진 지구 준위성 5개 중 가장 안정적입니다. 준위성인 카모올레와(Kamo'oalewa)의 궤도는 지구와 매우 흡사하며, 반장경은 지구의 0.001au 이내, 낮은 이심률은 0.1에 불과하며, 황도에 대해 약 8도의 완만한 경사를 가지고 있습니다. 우주선 연구를 위해 자주 제안되는 대상입니다. 약 1년의 공전 주기로 태양을 공전할 때 지구에 대해 준위성 경로를 취합니다. 이 종류의 물체에 대한 연구는 (164207) 2004 GU9의 최초 발견으로 시작되었습니다. 준위성 개체군에 대한 물리적 특성화는 기하학적 관측의 어려움과 지구 근처 공간에서의 짧은 체류 시간으로 인해 부족했습니다. 독특하게도 Kamo'oalewa는 지구의 대형 망원경으로 특징지을 수 있을 만큼 밝아지는(시각 등급 V < 23.0mag) 4월경에 일년에 한 번 관측하기에 적합합니다. 2020년 CD3와 같이 일시적으로 포획된 미니문과 달리 이러한 정기적인 관찰 창에서는 발견 직후 단일 발현 동안 전용 관찰 캠페인이 필요한 것과 달리 지속적인 연구를 할 수 있습니다.

달과 비슷한 규산염 물질인 지구 준위성 Kamo'oalewa

우리는 LBT를 사용하여 2017년 4월 14일 UT에 광대역 컬러 측광 및 가시 스펙트럼을 얻었습니다. 다중 물체 이중 분광기(MODS) 장비는 우리의 관찰을 수행하기 위해 이미징 및 장슬릿 분광 모드에 사용되었습니다. 이러한 관찰은 준위성의 분류학적 분류가 S형 및 L형 규산염 소행성과 일치하는 것으로 초기 평가를 제공했으며 물체 발견 후 30분 미만으로 결정된 회전 주기를 제공했습니다. 후속 광대역 광도 측정은 Large Monolithic Imager를 사용하여 VR 필터의 LDT에서 2017년 4월 18일 UT에 수집되었습니다. 노출 시간은 200 에서 300 까지 다양했습니다. 이러한 관찰의 목표는 높은 신호 대 잡음비 데이터를 수집하는 것이었습니다. 이 데이터는 LBT 관찰과 결합되어 물체의 회전 광곡선을 유도하고 주기 결정을 개선하기 위해 더 긴 시간 기준을 제공했습니다. 확립된 데이터 보정 및 감소 루틴을 사용하여 Kamo'oalewa의 회전 주기가 28.3(+1.8/−1.3)분임을 발견했으며 이는 발견 당시의 결과와 일치합니다. 피크 대 피크 광곡선 진폭은 a/b ≥ 1.5317의 축 비율에 해당하는 푸리에 맞춤을 기준으로 1.07 ± 0.05mag입니다. 광곡선은 Kamo'oalewa의 스핀 주기와 알려진 NEO의 스핀 주기를 비교하여 보여주며 회전 상태가 비슷한 크기의 NEO에서 일반적임을 보여줍니다. H > 21.0 mag를 가진 NEO의 개체군은 내부 응집력을 의미할 만큼 충분히 빠르게 회전하며, 가정된 물체 부피 밀도(ρb) 및 인장 강도 계수(κ)의 범위가 주어진 주어진 크기에서 물체의 최대 회전 속도를 나타내는 곡선으로 설명됩니다. Kamo'oalewa의 그럴듯한 모양 및 회전 모델에 대한 이전 연구에서는 Kamo'oalewa의 표면이 1mm~1cm 크기보다 작은 입자를 보유할 수 있음을 발견했습니다. 가시광선 파장(0.4~0.95 μm)에서 관찰된 반사 스펙트럼은 지구 근처 소행성, 특히 S 및 L 분류 분류에서 흔히 볼 수 있는 여러 유형의 규산염 물질과 일치하지만 단일 구성 범주를 진단하지는 않습니다. 모든 스펙트럼은 0.8 μm 미만의 파장에서 매우 밀접하게 플롯됩니다. 2019년에 얻은 근적외선(1.0~1.3 µm)의 후속 분광 관찰에서는 감람석 및 휘석 광물로 인해 1.0마이크론 흡수 밴드의 존재를 확인했지만 가파른 적색 연속체 경사에 겹쳐졌습니다. 이 기울기는 2021년 3월 7일 UT에서 LBT로 광대역 zJH 측광 색상을 측정하고 2021년 4월 11일 UT에서 JK 색상을 측정하여 확인되었습니다. 우리는 표면 구성을 제한하고 Kamo'oalewa에 대한 가능한 아날로그 재료를 식별하기 위해 곡선 일치를 사용했습니다. Kamo'oalewa의 스펙트럼 기울기는 Bus-Demeo 분류에 의해 정의된 전형적인 S형 소행성 스펙트럼보다 더 붉습니다. Kamo'oalewa의 스펙트럼과 Sw형 소행성(63) Ausonia의 스펙트럼을 비교해 봅시다. Sw 유형은 S 유형과 동일한 특성을 나타내지만 적외선에서 더 붉은 기울기를 갖습니다. Kamo'oalewa의 스펙트럼 기울기는 이러한 물체의 기울기보다 더 붉습니다. 스펙트럼 기울기가 붉어지는 것은 위상각(Sun-Target-Observer angle), 표토의 입자 크기(입자 크기가 증가하면 스펙트럼 기울기가 푸르스름함), 금속 함량(금속이 증가하면 스펙트럼 기울기가 붉어짐), 그리고 달 스타일의 우주 풍화 작용(우주 풍화 작용이 증가하면 스펙트럼 기울기가 더 붉어지고 흡수 대역이 약해짐) 때문입니다. S형 소행성에서 파생된 LL 일반 콘드라이트 운석의 실험실 측정은 최대 30%/1 μm까지 최대 스펙트럼 기울기 변화를 보여주었습니다. 이는 120도24의 위상각 변화로 인해 발생합니다. Kamo'oalewa의 NIR 스펙트럼은 43.2°의 위상각에서 관찰되었으며 89%/1µm의 기울기는 위상각 효과만으로 설명하기에는 너무 가파릅니다. 레골리스의 입자 크기는 스펙트럼 기울기와 밴드 깊이에도 영향을 줍니다. 일반적으로 규산염의 경우 입자 크기가 밀리미터에서 센티미터에 가까워지면 밴드 깊이와 스펙트럼 기울기가 감소합니다(파란색 기울기가 됨). Kamo'oalewa의 경우 밴드 깊이는 약하지만 스펙트럼 기울기는 빨간색으로 입자 크기 효과만으로 예상되는 파란색이 아닙니다. 따라서 결정립 크기 효과는 Kamo'oalewa의 관찰된 스펙트럼 특성을 일반적인 S형 구성(보다 중립적인 반사 스펙트럼)의 스펙트럼 특성과 조화시키기에 충분하지 않습니다. 표준 Bus-DeMeo 분류 도구를 사용하여 Kamo'oalewa의 스펙트럼 기울기를 특성화하는 선택은 NEA 개체군과의 일반적인 비교를 가능하게 하기 위해 이루어졌습니다. 이 방법은 0.45~2.45µm의 잘 샘플링된 스펙트럼에 직선을 맞추는 것입니다. Kamo'oalewa의 스펙트럼은 파장에서 균일하게 샘플링되지 않기 때문에 기울기 계산은 먼저 스펙트럼을 선형으로 보간하여 수행되었습니다. 적외선 반사율의 오차가 지배하는 기울기 측정의 불확실성을 평가하기 위해 1.0μm보다 큰 파장에서 데이터를 ±1σ로 균일하게 변경한 후 기울기 측정을 반복했습니다. 이것은 오차를 과대평가한 것이지만(측광 오차가 상관관계가 있다고 가정하기 때문), 고르지 않게 샘플링된 스펙트럼에 내재된 변동성을 투명하게 보여줍니다. 이 방법은 76에서 101%/1µm까지의 기울기 값 범위를 반환합니다. MITHNEOS 조사에 의해 수집된 지구 근방 소행성의 기울기 범위를 참고합니다. Kamo'oalewa의 범위와 겹치는 전체 스펙트럼 기울기를 가진 한 물체는 (4142) Dersu-Uzala, 원래 A형으로 분류되었던 화성 횡단 소행성이며 0.4~1.0 미크론 스펙트럼 기울기와 1.0 미크론 밴드는 다음과 다릅니다. 금속과규산염 혼합물은 가파른 스펙트럼 기울기와 더 약한 감람석 또는 휘석 띠를 가진 Kamo'oalewa와 유사한 스펙트럼을 갖는 것으로 나타났습니다. 이러한 물질은 팔라사이트, 메조시데라이트 또는 CB 콘드라이트 운석과 유사합니다. 스펙트럼 붉어짐은 금속 함량이 >50%28인 혼합물에서 발생하는 것으로 나타났습니다. Kamo'oalewa의 스펙트럼 기울기와 밴드 깊이를 금속+올리빈 및 금속+피록센 혼합물과 비교했습니다. 이 가설을 설명하기 위해 철 운석인 Gibeon과 메조시데라이트 Vaca Muerta의 반사율 측정값을 수집했으며, 이 접근 방식은 비교를 위해 운석 금속의 한 소스만 사용하지만, 우리가 사용하는 Gibeon 샘플의 스펙트럼은 철이 풍부하므로 운석 금속 공급원 중에서 가장 붉은색 유사체에 속합니다. 1.0미크론 밴드에 맞추기 위해 스펙트럼이 중성인 규산염과 혼합하면 스펙트럼 기울기가 훨씬 덜 붉어집니다. 따라서 우리는 일반적으로 운석 금속과 풍화되지 않은 규산염의 혼합물이 Kamo'oalewa의 스펙트럼에 적합한 일치를 제공하지 않는다는 결론을 내립니다. 달 스타일 공간 풍화는 알베도와 밴드 깊이를 줄이고 반사 스펙트럼의 스펙트럼 기울기를 증가시키는 것으로 입증되었습니다. RELAB 데이터베이스에서 Kamo'oalewa의 스펙트럼을 Apollo 달 샘플과 비교했습니다. Kamo'oalewa에 가장 적합한 스펙트럼 일치를 식별하기 위해 총 19개의 사용 가능한 샘플이 사용되었습니다. 우리의 검색을 기반으로 Apollo 14 Lunar 샘플 #14163의 20~45 µm 입자는 Kamo'oalewa의 반사율 측정과 조사된 재료 사이에서 거의 일치합니다. 그러나 달 토양 샘플 데이터베이스에는 더 높고 더 낮은 경사를 포함하여 다양한 경사가 존재합니다. 이것은 저해상도 데이터를 기반으로 특정 구성 가설을 분리하는 데 내재된 불확실성을 보여줍니다. 우리는 최근에 Chang'e-4 탐사선이 20 cm 크기의 암석을 현장에서 관찰한 것과 같이 미세한 입자의 달 물질과 스펙트럼 기울기가 일치한다고 해서 반드시 Kamo'oalewa 표면의 미세한 입자의 표토를 의미하지는 않는다는 점에 주목합니다. 이 암석의 스펙트럼은 1.75미크론 미만의 파장에서 Apollo 샘플 14163과 밀접하게 추적되지만 1.75에서 2.5미크론의 중성 반사율로 롤오버됩니다. Kamo'oalewa의 전체 스펙트럼이 일반적인 지구 근방 소행성 분류와 일치하지 않으며 반사율 특성에 대한 추가 설명(예: 높은 금속 함량 또는 극단적인 달 스타일 우주 풍화)이 필요합니다. 우리는 S형 소행성이 종종 우리가 비교한 달 샘플보다 더 높은 가시적 알베도를 가지고 있음을 주목합니다. 예를 들어, Apollo 14 샘플 #14163의 20~45 µm 입자는 0.1의 가시적 알베도를 갖는 반면 S형 소행성 Ausonia의 알베도는 0.1636입니다. 0.10에서 0.16까지의 알베도 범위를 채택하면 D = 58–46 m 범위에서 Kamo'oalewa(H = 24.3mag)의 유효 직경을 제공합니다. 따라서 표면의 입자 크기 분포에 대한 지식과 함께 Kamo'oalewa의 알베도를 직접 측정하면 구성 가설을 구별하는 데 유용한 역할을 합니다. 행성의 섭동으로 인해 지구 주위를 도는 Kamo'oalewa의 연간 역행 루프는 약 40년이라는 더 긴 기간에 걸쳐 진폭이 약간 가변적입니다. 과거와 미래의 10년 단위에 대한 궤도의 수치적 전파는 이러한 거의 주기적인 변동이 작게 유지된다는 것을 발견했습니다, 그러나 더 큰 변화는 수세기에 걸쳐 발생합니다. 장기간의 궤도 전파는 준위성 운동이 약 100년 전에 시작되었으며 앞으로 약 300년은 지속될겁니다. 100년 전(그리고 앞으로 300년 이상) 전에 Kamo'oalewa의 연간 주전원 순환 고리는 지구에서 천천히 멀어져 태양 주위를 지구와 함께 회전하는 프레임에서 말굽 모양의 경로를 추적합니다. 이 상태에서 반장경은 약 0.005au 정도 지구 위아래로 교대로 떨어지며 130년마다 지구에 가깝게(~10 rH⊕ 이내) 접근합니다. 준위성 상태는 약 1au의 반장경과 지구의 평균 경도에 대한 평균 경도의 작은 진폭 librations를 보여주는 녹색 트랙으로 표시됩니다. 편자 상태는 반 장축이 약 0.005au만큼 교대로 지구 위아래로 떨어지고 지구에 대한 평균 경도가 약 180도로 큰 진폭을 가짐을 나타내는 검은색 트랙으로 표시됩니다. 역행 준위성 궤도, 편자 궤도 및 이 두 유형 사이의 전환은 1:1 평균 운동 공명 근처에서 알려진 동적 거동입니다. 궤도 매개변수의 현재 오류는 ± 500년 기간을 초과하여 증가하여 장기간의 궤도 경로에 대한 확신을 배제합니다. 그러나 가능한 장기 궤도 경로의 수치 샘플링은 다양한 정확도의 모델로 수행되었습니다. 이러한 연구는 일반적으로 Kamo'oalewa가 105~106년의 시간 척도에서 말굽 운동과 준위성 운동 사이의 간헐적 전환을 나타내는 지구와 같은 궤도에 남아 있지만, 이 상태가 지구의 나이에 필적하는 시간 척도에 걸쳐 지속되지 않을 가능성이 있음을 나타냅니다.