Влияние экзосферы активного астероида на поляризацию рассеянного света и возможности оценки ее свойств из наземных измерений

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

Небесные тела, которые имеют орбитальные и физические характеристики, типичные для астероидов, но эпизодически демонстрируют признаки кометной активности, представляют особый интерес, поскольку знание природы этих тел необходимо для понимания процессов формирования Солнечной системы и доставки воды к планетам земной группы. В оценке свойств экзосферы активного астероида (АА) на основе данных дистанционного зондирования поляриметрия может играть заметную роль благодаря чувствительности поляризации рассеянного света к свойствам частиц в среде. Численное моделирование рассеяния излучения на частицах экзосферы, образующейся вокруг АА, показало, что рассеяние света в экзосфере может как ослаблять поляризацию света, отраженного от поверхности, так и приводить к ее усилению в зависимости от длины волны рассеиваемого света, показателя преломления частиц и их морфологии. При этом спектральный градиент поляризации может изменяться как в сторону более высоких положительных, так и отрицательных значений. На фазовых углах менее 30°, характерных для наблюдений астероидов Главного пояса, изменения, вносимые в поляризацию рассеянием в экзосфере, невелики и слабо отличаются для частиц разных свойств. Тем не менее изменение поляризации света, отраженного астероидом, по сравнению с каноническими значениями может свидетельствовать о присутствии экзосферы. На более высоких фазовых углах влияние рассеяния в экзосфере на поляризацию АА более заметно, что делает многообещающим использование поляриметрии в исследовании активности астероидов, сближающихся с Землей. Этот эффект следует также учитывать при оценке альбедо астероида по максимуму поляризации (по закону Умова), если у этого астероида можно ожидать проявление активности.

Full Text

Restricted Access

About the authors

Е. В. Петрова

Институт космических исследований Российской академии наук

Author for correspondence.
Email: epetrova@cosmos.ru
Russian Federation, Москва

References

  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. T. 53. С. 273–290. (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). https://doi.org/10.1134/S0038094619040014
  2. Бусарев В.В., Петрова Е.В., Щербина М.П., Кузнецов С.Ю., Бурлак М.А., Иконникова Н.П., Савелова А.А., Белинский А.А. Поиск признаков сублимационно-пылевой активности астероидов примитивных типов вблизи перигелия// Астрон. вестн. 2023.T. 57. С. 439–457. (Busarev V.V., Petrova E.V., Shcherbina M.P., Kuznetsov S. Yu., Burlak M.A., Ikonnikova N.P., Savelova A.A., Belinskii A.A. Search for signs of sublimation-driven dust activity of primitive-type asteroids near perihelion // Sol. Syst. Res. 2023. V. 57. P. 449–466). https://doi.org/10.1134/S0038094623050015
  3. Кохирова Г.И., Иванова А.В., Рахматуллаева Ф.Дж. Подтверждение кометной природы астероида Дон Кихот по наблюдениям в обсерватории Санглох // Астрон. вестн. 2021. T. 55. С. 74–83. (Kokhirova G.I., Ivanova O.V., Rakhmatullaeva F. Dzh. Evidence of the cometary nature of asteroid Don Quixote provided by observations at the Sanglokh observatory // Sol. Syst. Res. 2021. V. 55. P. 61–70). https://doi.org/10.1134/S0038094620330023
  4. 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. (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
  5. Петрова Е.В., Бусарев В.В. О возможностях оценки свойств частиц в экзосфере активного астероида по деталям в УФ- и видимом диапазонах спектров отражения // Астрон. вестн. 2023. Т. 57. С. 166–180. (Petrova E.V., Busarev V.V. On the prospects for estimating the properties of particlesin an active asteroid exosphere by features in the UV and visible reflectance spectra // Sol. Syst. Res. 2023. V. 57. P. 161–174). https://doi.org/10.1134/S0038094623020065
  6. Соболев В.В. Рассеяние света в атмосферах планет. М.: Наука, 1972. 336 с.
  7. Bagnulo S., Tozzi G.P., Boehnhardt H., Vincent J.-B., Muinonen K. Polarimetry and photometry of the peculiar main-beltobject 7968 = 133P/Elst-Pizarro // Astron. and Astrophys. 2010. V. 514. id. A99. https://doi.org/10.1051/0004-6361/200913339
  8. Bagnulo S., Gray Z., Granvik M., Cellino A., Kolokolova L., Muinonen K., Muñoz O., Opitom C., Penttilä A., Snodgrass C. Optical spectropolarimetry of binary asteroid Didymos–Dimorphos before and after the DART impact // Astrophys. J. Lett. 2023. V. 945. P. L38. https://doi.org/10.3847/2041-8213/acb261
  9. 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.
  10. Bradley J. The astromineralogy of interplanetary dust particles // Astromineralogy / Ed. Henning T. Berlin Heidelberg: Springer, 2003. P. 217–235.
  11. 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.
  12. 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. 2021. V. 369. 114634. https://doi.org/10.1016/j.icarus.2021.114634
  13. Cellino A., Bagnulo S., Belskaya I.N., Christou A.A. Unusual polarimetric properties of (101955) Bennu: Similarities with F-class asteroids and cometary bodies // Mon. Notic. Roy. Astron. Soc. Lett. 2018. V. 481. P. L49–L53. https://doi.org/10.1093/mnrasl/sly156
  14. Dlugach J.M., Mishchenko M.I., Mackowski D.W. Numerical simulations of single and multiple scattering by fractal ice clusters // J. Quant. Spectrosc. and Radiat. Transfer. 2011. V. 112. P. 1864–1870. https://doi.org/10.1016/j.jqsrt.2011.01.038
  15. 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. Astrophys. 1995. V. 300. P. 503–520.
  16. Draine B.T., Lee H.M. Optical properties of interstellar graphite and silicate grains // Astrophys. J. 1984. V. 285. P. 89–108.
  17. Geem J., Ishiguro M., Bach Y.P., Kuroda D., Naito H., Hanayama H., Kim Y., Kwon Y.G., Jin S., Sekiguchi T., Okazaki R., Vaubaillon J.J., Imai M., Oono T., Futamura Y., Takagi S., Sato M., Kuramoto K., Watanabe M. A polarimetric study of asteroids in comet-like orbits // Astron. and Astrophys. 2022. V. 658. id. A158. https://doi.org/10.1051/0004-6361/202142014
  18. Güttler C., Mannel T., Rotundi A., Merouane S., Fulle M., Bockelée-Morvan D., Lasue J., Levasseur-Regourd A.C., Blum J., Naletto G., and 21 co-authors. 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
  19. Hadamcik E., Levasseur-Regourd A.C., Leroi V., Bardinc D. Imaging polarimetry of the dust coma of Comet Tempel 1 before and after Deep Impact at Haute-Provence Observatory // Icarus. 2007. V. 190. P. 459–468. https://doi.org/10.1016/j.icarus.2007.05.023
  20. Harrington D.M., Meech K., Kolokolova L., Kuhna J.R., Whitman K. Spectropolarimetry of the Deep Impact target Comet 9P/Tempel 1with HiVIS // Icarus. 2007. V. 187. P. 177–184. https://doi.org/10.1016/j.icarus.2006.08.034
  21. Hsieh H.H., Novaković B., Kim Y., Brasser R. Asteroid family associations of active asteroids // Astron. J. 2018. V. 155. id. 96. http://dx.doi.org/10.3847/1538-3881/aaa5a2
  22. Ivanova O., Luk'yanyk I., Husárik M. Dust environment of active asteroid (248370) 2005 QN173 // 16th Europlanet Sci. Congress 2022, 18–23 September 2022, Palacio de Congresos de Granada, Spain. https://doi.org/10.5194/epsc2022-203
  23. Ivanova O., Licandro J., Moreno F., Luk’yanyk I., Markkanen J., Tomko D., Husárik M., Cabrera-Lavers A., Popescu M., Shablovinskaya E., Shubina O. Long-lasting activity of asteroid (248370) 2005 QN173 // Mon. Notic. Roy. Astron. Soc. 2023. V. 525. P. 402–414. https://doi.org/10.1093/mnras/stad2294
  24. 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
  25. Jewitt D., Li J., Agarwal J. The dust tail of asteroid (3200) Phaethon // Astrophys. J. Lett. 2013. V. 771. P. L36. doi: 10.1088/2041–8205/771/2/L36
  26. 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
  27. Kiselev N.N., Rosenbush V.K., Petrov D., Luk’yanyk I.V., Ivanova O.V., Pit N.V., Antoniuk K.A., Afanasiev V.L. Asteroid (3200) Phaethon: results of polarimetric, photometric, and spectral observations // Mon. Notic. Roy. Astron. Soc. 2022. V. 514. P. 4861–4875. https://doi.org/10.1093/mnras/stac1559
  28. 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.
  29. Kolokolova L., Nagdimunov L., Mackowski D. Light scattering by hierarchical aggregates // J. Quant. Spectrosc. and Radiat. Transfer. 2018. V. 204. P. 138–143. https://doi.org/10.1016/j.jqsrt.2017.09.019
  30. 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.
  31. Li A., Greenberg J.M. A unified model of interstellar dust // Astron. and Astrophys. 1997. V. 232. P. 566–584.
  32. 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. and Radiat. Transfer. 2011. V. 112. P. 1658–1670. https://doi.org/10.1016/j.jqsrt.2011.01.016
  33. 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
  34. 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
  35. 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. http://dx.doi.org/10.1016/j.jqsrt
  36. Mackowski D.W., Kolokolova L. Application of the multiple sphere superposition solution to large-scale systems of spheres via an accelerated algorithm // J. Quant. Spectrosc. and Radiat. Transfer. 2022. V. 287. id. 108221. https://doi.org/10.1016/j.jqsrt.2022.108221
  37. Madhusudhan N., Burrows A. Analytic models for albedos, phase curves, and polarization of reflected light from exoplanets // Astrophys. J. 2012. V. 747. id. 25. doi: 10.1088/0004-637X/747/1/25
  38. 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
  39. 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. P. 16831–16847.
  40. 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
  41. 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.
  42. Mishchenko M.I., Rosenbush V.K., Kiselev N.N., Lupishko D.F., Tishkovets V.P., Kaydash V.G., Belskaya I.N., Efimov Y.S., Shakhovskoy N.M. Polarimetric Remote Sensing of Solar System Objects. Kyiv: Akademperiodyka, 2010. 291 p.
  43. Rossi L., Berzosa-Molina J., Stam D.M. PYMIEDAP: a Python–Fortran tool for computing fluxes and polarization signals of (exo)planets// Astron. Astrophys. 2018. V. 616. P. A147. https://doi.org/10.1051/0004-6361/201832859
  44. Shestopalov D.I., Golubeva L.F. Polarimetric properties of asteroids // Adv. Space Res. 2015. V. 56. P. 2254–2274. https://doi.org/10.1016/j.asr.2015.08.013
  45. Tishkovets V.P., Petrova E.V., Mishchenko M.I. Scattering of electromagnetic waves by ensembles of particles and discrete random media // J. Quant. Spectrosc. and Radiat. Transfer. 2011. V. 112. P. 2095–20127. https://doi.org/10.1016/j.jqsrt.2011.04.010
  46. 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. id. D14220. doi: 10.1029/2007JD009744
  47. Zubko E., Shkuratov Yu., Videen G. Effect of morphology on light scattering by agglomerates // J. Quant. Spectrosc. and Radiat. Transfer. 2015. V. 150. P. 42–54. http://dx.doi.org/10.1016/j.jqsrt.2014.06.023

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Fig. 1. Types of aggregate structures for which scattering characteristics were calculated.

Download (88KB)
Indexing metadata
3. Fig. 2. The degree of linear polarization P of light reflected by a model asteroid with an exosphere at wavelengths of 0.36 and 0.54 μm (channels U and V, respectively), depending on the phase angle of observations α. Particles in the exosphere are mixtures of randomly oriented spheroids at Reff = 0.1 and 1.0 μm, νeff = 0.05 and E = 0.7–1.3: (a) – λ = 0.36 μm, Reff = 0.1 μm; (b) – λ = 0.36 μm, Reff = 1.0 μm; (c) – λ = 0.54 μm, Reff = 0.1 μm; (d) – λ = 0.54 μm, Reff = 1.0 μm. Models for H2O ice particles (“Ice”), astronomical silicates (“Sil”), olivine (“Oli”), and refractory organics (“OrR”) are shown, as well as a model for an asteroid without an exosphere (“Surf”). The optical thickness of the exosphere is taken to be τ = 0.5 by λ = 0.54 μm.

Download (265KB)
Indexing metadata
4. Fig. 3. Schematic representation of the problem of light scattering by a plane-parallel “exosphere+surface” system in the single scattering approximation with a small optical thickness of the exosphere. Part of the incident light flux 1 reaches the surface and is reflected from it without scattering in the exosphere, and part 2 is scattered by exospheric particles without reaching the surface. Z0 and Z are the zenith angles of incident light and observations, respectively.

Download (138KB)
Indexing metadata
5. Fig. 4. Change in the degree of linear polarization of light P reflected by a model asteroid with an exosphere along the spectrum at phase angles α = 7°, 30°, 60°, and 90°. Particles in the exosphere are mixtures of randomly oriented spheroids at Reff = 0.1 (upper row of diagrams) and 1.0 μm (lower row of diagrams), νeff = 0.05, and E = 0.7–1.3. Shown are models for particles of the specified composition, as well as a model for an asteroid without an exosphere (“Surf”). The optical thickness of the exosphere is taken to be τ = 0.5 at λ = 0.54 μm.

Download (311KB)
Indexing metadata
6. Fig. 5. The degree of linear polarization P of light reflected by a model asteroid with an exosphere at a wavelength of 0.54 μm (channel V), depending on the phase angle of observations α. Particles in the exosphere (τ = 0.5) are randomly oriented aggregates (N = 100): (a) – models for aggregate particles of ice and olivine, consisting of monomers of the indicated radii (in microns); (b) – models for aggregate structures of different porosity (A, B and C), consisting of astronomical silicates with a monomer radius r = 0.1 μm. A model for an asteroid without an exosphere (“Surf”) is also given.

Download (240KB)
Indexing metadata
7. Fig. 6. Change in the degree of linear polarization P of light reflected by a model asteroid with an exosphere along the spectrum at phase angles α = 7°, 30°, 60° and 90°. Particles in the exosphere are a mixture of randomly oriented aggregates consisting of 100 monomers with a radius of 0.08, 0.10 and 0.12 μm (see text). The upper row of diagrams are models for aggregate particles of type C of the specified composition. The lower row of diagrams are models for aggregate structures of different porosity (A, B and C) consisting of astronomical silicates. A model for an asteroid without an exosphere (“Surf”) is also given. The optical thickness of the exosphere is taken to be τ = 0.5 by λ = 0.54 μm.

Download (291KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2024 The Russian Academy of Sciences

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».