平均半径798㎞の氷天体が3.92時間で自転すると赤道部分が伸びて半径1161㎞。極軸は513㎞。表面重力は極が土星並みで赤道は土星の衛星ヒペリオン並みです。自転による遠心力で場所により表面重力の変化が大きく小天体の衝突で出来るクレーターの形状もインパクターの質量より衝突場所の影響が大きい。以下、機械翻訳。
準惑星ハウメアのクレーター形態の空間変動
要約
カイパーベルトで3番目に質量が大きい天体と考えられているハウメアは、3.92時間と高速な自転周期を持ち、その結果、三軸楕円体の形状をしています。ここでは、ハウメアの表面重力場を計算し、ハウメアの表面形態について初めて詳細な予測を行います。赤外線分光法によってハウメアの表面は主に不活性な水氷であることが示されたことを考慮すると、クレーターが主な表面特徴である可能性が高いため、クレーターの特性に焦点を当てます。ハウメアの表面重力を計算すると、
𝑔は赤道長軸の位置での最小0.0126 m/s^2から極での1.076 m/s^2まで、ほぼ2桁変化することがわかりました。また、緯度とともに
𝑔が非単調に減少することもわかりました。クレーターの単純から複雑への遷移直径は、ハウメアの表面重力が最小の場所では 36.2 km ですが、極では 6.1 km です。赤道クレーターは、高緯度のクレーターと比較して、体積が大きく、少なくとも 2 倍深く、噴出物も厚くなると予想されます。クレーター噴出物の流出への影響を考慮すると、ハウメアの流出速度は赤道から極まで 62% 異なると計算されます。極での流出速度は高いものの、そこでの衝突ではハウメアの重力井戸から流出する噴出物の質量分率が高くなると予想されます。ハウメアは、表面重力の大きさの変化のみに起因する、表面全体のクレーター形態の劇的な変化を持つ点で、太陽系の惑星サイズの天体の中では特異な存在である可能性があります。
1はじめに
準惑星ハウメアは、3番目に明るい（Brown et al., 2006）惑星であり、質量は4.006±0.040×10^21 kgで、カイパーベルト天体の中で3番目に重い天体です（Ragozzine & Brown, 2009; Rambaux et al., 2017; Dunham et al., 2019）。1 ハウメアは発見直後から、並外れた天体であると判断されていました。その約 3.92 時間の自転周期は、100 km を超える太陽系の天体の中では最短であり、壊滅的な衝突 (Brown 他、2006、2007) または衝突合体 (Leinhardt 他、2010、Proudfoot および Ragozzine、2019、2022、Noviello 他、2022) のいずれかによる巨大衝突の結果であると考えられています。ハウメアの形成によってもたらされた急速な自転速度により、その形状は三軸楕円体または赤道軸と極軸が 30 % 以上異なる扁平回転楕円体のいずれかになると考えられていました (Rabinowitz 他、2006)。その後、測光および熱流束測定により、ハウメアは確かに三軸楕円体であることが確認されました (Lockwood 他、2014)。ハウメアの最も正確な寸法は、Ortiz et al. 2017 による恒星掩蔽観測から得られており、赤道軸は 𝑎= 1161±30 km、𝑏= 852±4 km、極軸は 𝑐= 513±16 km です。
図 1:(a) 緯度と経度の関数としての表面重力加速度 𝑔 の大きさ (正距円筒図法)。紫は低重力、茶色は高重力に対応します。(b) (a) と同じですが、3 次元の視点です。ここでの軸は、経度ではなく軸の長さに対応する距離を示し、方向を示すために経度 -90∘ と 0∘ がラベル付けされています。円形の矢印は、ハウメアの回転方向を示しています。
分光観測と測光観測により、ハウメアの表面に関する貴重な情報が得られました。Trujillo ら (2007) による赤外線分光法では、表面の組成が 66 ∼ 80% の結晶水氷であることが示されましたが、Pinilla-Alonso ら (2007) による赤外線分光法では、表面の組成が 66 ∼ 80% の結晶水氷であることが示されました。 2009 年には、赤外線分光法とハプケ散乱モデルを組み合わせて、表面が
92% 以上が水氷で覆われ、非晶質氷と結晶氷の比率が 1:1 に近いことが示唆されました。ハウメアの最大の衛星であるヒイアカも、この水氷組成を共有しています (Barkume 他、2006)。測光により、「暗赤色の斑点」の形で不均質な表面が存在することが示されましたが、その原因は不明です。この領域は独特の組成である可能性が高いと考えられていますが、水氷の粒径のばらつきによって説明される可能性もあります (Lacerda 他、2008)。ただし、現在まで、ハウメアの表面形態を観測的に制限する方法はなく、ハウメアの表面形態について何が予想されるかについて詳細な予測を行った研究はありません。
近年、ニューホライズンズ ミッションの観測により、カイパーベルト天体の表面に関する知識が大きく進歩しました。これらの観測により、準惑星冥王星が複雑な世界であることが明らかになりました。この惑星は、最近活発な地質学的プロセス (Moore 他、2016 年) と広範な大気光化学 (Gladstone 他、2016 年) の両方を備えています。冥王星の最大の衛星であるカロンは、古く、大部分がクレーター化した表面を有していますが、内部の海と氷火山活動に関連する可能性のある内因性活動の証拠も提供しています (Moore 他、2016 年)。ニューホライズンズはまた、2 つの氷天体の衝突クレーターの新しい高解像度の観測を提供しました。
ハウメアに関する既存の制約に加えて、ニューホライズンズからの調査結果が利用可能になったことで、この準惑星の考えられる表面形態について理論化するのにタイムリーな時期が到来しました。ハウメアの表面は主に水氷で、現在のかなりの内部熱を除けば、カイパーベルトでは不揮発になります (Brown 他、2011 年)。ハウメアの表面に実質的な揮発性成分がないため、冥王星のトムボー地域に似た氷河流の大量移動 (Moore et al., 2016) や、実質的な蒸気圧で支えられた大気 (Gladstone et al., 2016) は考えられません。組成に応じて、大気の圧力の上限は 3 ～ 50 nbar であるとも Ortiz et al. 2017 は示しています。水氷の結晶性は、表面と内部の間に何らかのつながりがあることを示唆しています。カイパーベルトの条件では非晶質水氷の方がエネルギー的に有利であり、実質的な大気や磁気圏がない場合、放射線によって結晶氷が ∼ 10^7 年のタイムスケールで非晶質氷に変換されるためです (Cooper et al., 2003; Jewitt & Luu, 2004; Trujillo et al., 2007)。Pinilla-Alonso et al. 2009 は、大規模な衝突によるガス放出または新鮮な物質の露出 (はるかに小さいハウメア グループの天体の組成が類似しているため、氷火山活動ではなく) を支持し、表面年齢を>10^8 年と推定しています。
カロンと土星の衛星で観測されたいくつかのプロセスがハウメアでも発生している可能性が高いことに留意します。これには、地下海の凍結によって生じる可能性のあるテクトニクス (Moore & Ahern、1983 年、Moore 他、1985 年) や、それに関連する潜在的な氷流 (Beyer 他、2019 年) が含まれます。ハウメアには、約250 Myr の間、地下海が存在していたと提案されています (Noviello 他、2022 年)。質量の減少は、揮発性物質がなくても衝突による揺れによって引き起こされる可能性があるため、ハウメアで発生する可能性のあるもう 1 つのプロセスです (Singer 他、2012 年、Fassett と Thomson、2014 年)。それでも、カロンや中型の土星の衛星と同様に、古い表面と揮発性物質の少なさが相まって、衝突によるクレーター形成がハウメアの表面全体で表れる主要な表面プロセスになると予想されており、この研究ではこれに焦点を当てています。
まず、ハウメアのユニークな形状と急速な自転に起因するハウメアの表面有効重力とその空間的変動を定量化します。この変動する表面重力が、その後に調査する現象の傾向を左右します。クレーターの種類 (単純 vs 複雑) と形態計測 (寸法) を予測し、それらがハウメアの表面全体でどのように変化するかを検討します。次に、クレーターの噴出物特性の空間的変動を検討します。氷の天体、特にカリストとガニメデの噴出物は、さまざまな特徴（高アルベド、高原、これらは、コイなどの生物の生息地としても知られており、興味深いものです。最後に、ハウメアの重力井戸から逃げ出すことができる噴出物の割合が、表面全体でどのように変化するかを調べます。
図 2: 経度 = 0∘ における、緯度の関数としての全表面重力加速度
𝑔の大きさと符号。
𝑔の合計の大きさに寄与する 6 つの最大の項の値も示されており、各𝑔
成分内での合計時の相対的な寄与を示すために符号が示されています。
準惑星ハウメアのクレーター形態の空間変動
要約
カイパーベルトで3番目に質量が大きい天体と考えられているハウメアは、3.92時間と高速な自転周期を持ち、その結果、三軸楕円体の形状をしています。ここでは、ハウメアの表面重力場を計算し、ハウメアの表面形態について初めて詳細な予測を行います。赤外線分光法によってハウメアの表面は主に不活性な水氷であることが示されたことを考慮すると、クレーターが主な表面特徴である可能性が高いため、クレーターの特性に焦点を当てます。ハウメアの表面重力を計算すると、
𝑔は赤道長軸の位置での最小0.0126 m/s^2から極での1.076 m/s^2まで、ほぼ2桁変化することがわかりました。また、緯度とともに
𝑔が非単調に減少することもわかりました。クレーターの単純から複雑への遷移直径は、ハウメアの表面重力が最小の場所では 36.2 km ですが、極では 6.1 km です。赤道クレーターは、高緯度のクレーターと比較して、体積が大きく、少なくとも 2 倍深く、噴出物も厚くなると予想されます。クレーター噴出物の流出への影響を考慮すると、ハウメアの流出速度は赤道から極まで 62% 異なると計算されます。極での流出速度は高いものの、そこでの衝突ではハウメアの重力井戸から流出する噴出物の質量分率が高くなると予想されます。ハウメアは、表面重力の大きさの変化のみに起因する、表面全体のクレーター形態の劇的な変化を持つ点で、太陽系の惑星サイズの天体の中では特異な存在である可能性があります。
1はじめに
準惑星ハウメアは、3番目に明るい（Brown et al., 2006）惑星であり、質量は4.006±0.040×10^21 kgで、カイパーベルト天体の中で3番目に重い天体です（Ragozzine & Brown, 2009; Rambaux et al., 2017; Dunham et al., 2019）。1 ハウメアは発見直後から、並外れた天体であると判断されていました。その約 3.92 時間の自転周期は、100 km を超える太陽系の天体の中では最短であり、壊滅的な衝突 (Brown 他、2006、2007) または衝突合体 (Leinhardt 他、2010、Proudfoot および Ragozzine、2019、2022、Noviello 他、2022) のいずれかによる巨大衝突の結果であると考えられています。ハウメアの形成によってもたらされた急速な自転速度により、その形状は三軸楕円体または赤道軸と極軸が 30 % 以上異なる扁平回転楕円体のいずれかになると考えられていました (Rabinowitz 他、2006)。その後、測光および熱流束測定により、ハウメアは確かに三軸楕円体であることが確認されました (Lockwood 他、2014)。ハウメアの最も正確な寸法は、Ortiz et al. 2017 による恒星掩蔽観測から得られており、赤道軸は 𝑎= 1161±30 km、𝑏= 852±4 km、極軸は 𝑐= 513±16 km です。
図 1:(a) 緯度と経度の関数としての表面重力加速度 𝑔 の大きさ (正距円筒図法)。紫は低重力、茶色は高重力に対応します。(b) (a) と同じですが、3 次元の視点です。ここでの軸は、経度ではなく軸の長さに対応する距離を示し、方向を示すために経度 -90∘ と 0∘ がラベル付けされています。円形の矢印は、ハウメアの回転方向を示しています。
分光観測と測光観測により、ハウメアの表面に関する貴重な情報が得られました。Trujillo ら (2007) による赤外線分光法では、表面の組成が 66 ∼ 80% の結晶水氷であることが示されましたが、Pinilla-Alonso ら (2007) による赤外線分光法では、表面の組成が 66 ∼ 80% の結晶水氷であることが示されました。 2009 年には、赤外線分光法とハプケ散乱モデルを組み合わせて、表面が
92% 以上が水氷で覆われ、非晶質氷と結晶氷の比率が 1:1 に近いことが示唆されました。ハウメアの最大の衛星であるヒイアカも、この水氷組成を共有しています (Barkume 他、2006)。測光により、「暗赤色の斑点」の形で不均質な表面が存在することが示されましたが、その原因は不明です。この領域は独特の組成である可能性が高いと考えられていますが、水氷の粒径のばらつきによって説明される可能性もあります (Lacerda 他、2008)。ただし、現在まで、ハウメアの表面形態を観測的に制限する方法はなく、ハウメアの表面形態について何が予想されるかについて詳細な予測を行った研究はありません。
近年、ニューホライズンズ ミッションの観測により、カイパーベルト天体の表面に関する知識が大きく進歩しました。これらの観測により、準惑星冥王星が複雑な世界であることが明らかになりました。この惑星は、最近活発な地質学的プロセス (Moore 他、2016 年) と広範な大気光化学 (Gladstone 他、2016 年) の両方を備えています。冥王星の最大の衛星であるカロンは、古く、大部分がクレーター化した表面を有していますが、内部の海と氷火山活動に関連する可能性のある内因性活動の証拠も提供しています (Moore 他、2016 年)。ニューホライズンズはまた、2 つの氷天体の衝突クレーターの新しい高解像度の観測を提供しました。
ハウメアに関する既存の制約に加えて、ニューホライズンズからの調査結果が利用可能になったことで、この準惑星の考えられる表面形態について理論化するのにタイムリーな時期が到来しました。ハウメアの表面は主に水氷で、現在のかなりの内部熱を除けば、カイパーベルトでは不揮発になります (Brown 他、2011 年)。ハウメアの表面に実質的な揮発性成分がないため、冥王星のトムボー地域に似た氷河流の大量移動 (Moore et al., 2016) や、実質的な蒸気圧で支えられた大気 (Gladstone et al., 2016) は考えられません。組成に応じて、大気の圧力の上限は 3 ～ 50 nbar であるとも Ortiz et al. 2017 は示しています。水氷の結晶性は、表面と内部の間に何らかのつながりがあることを示唆しています。カイパーベルトの条件では非晶質水氷の方がエネルギー的に有利であり、実質的な大気や磁気圏がない場合、放射線によって結晶氷が ∼ 10^7 年のタイムスケールで非晶質氷に変換されるためです (Cooper et al., 2003; Jewitt & Luu, 2004; Trujillo et al., 2007)。Pinilla-Alonso et al. 2009 は、大規模な衝突によるガス放出または新鮮な物質の露出 (はるかに小さいハウメア グループの天体の組成が類似しているため、氷火山活動ではなく) を支持し、表面年齢を>10^8 年と推定しています。
カロンと土星の衛星で観測されたいくつかのプロセスがハウメアでも発生している可能性が高いことに留意します。これには、地下海の凍結によって生じる可能性のあるテクトニクス (Moore & Ahern、1983 年、Moore 他、1985 年) や、それに関連する潜在的な氷流 (Beyer 他、2019 年) が含まれます。ハウメアには、約250 Myr の間、地下海が存在していたと提案されています (Noviello 他、2022 年)。質量の減少は、揮発性物質がなくても衝突による揺れによって引き起こされる可能性があるため、ハウメアで発生する可能性のあるもう 1 つのプロセスです (Singer 他、2012 年、Fassett と Thomson、2014 年)。それでも、カロンや中型の土星の衛星と同様に、古い表面と揮発性物質の少なさが相まって、衝突によるクレーター形成がハウメアの表面全体で表れる主要な表面プロセスになると予想されており、この研究ではこれに焦点を当てています。
まず、ハウメアのユニークな形状と急速な自転に起因するハウメアの表面有効重力とその空間的変動を定量化します。この変動する表面重力が、その後に調査する現象の傾向を左右します。クレーターの種類 (単純 vs 複雑) と形態計測 (寸法) を予測し、それらがハウメアの表面全体でどのように変化するかを検討します。次に、クレーターの噴出物特性の空間的変動を検討します。氷の天体、特にカリストとガニメデの噴出物は、さまざまな特徴（高アルベド、高原、これらは、コイなどの生物の生息地としても知られており、興味深いものです。最後に、ハウメアの重力井戸から逃げ出すことができる噴出物の割合が、表面全体でどのように変化するかを調べます。
図 2: 経度 = 0∘ における、緯度の関数としての全表面重力加速度
𝑔の大きさと符号。
𝑔の合計の大きさに寄与する 6 つの最大の項の値も示されており、各𝑔
成分内での合計時の相対的な寄与を示すために符号が示されています。
2 ハウメアの表面重力
2.1 座標系
本稿の計算全体を通じて、半径距離𝑟 、極角𝜃、方位角𝜆
の球座標を採用しています。プロットと地理的解釈のために、
𝜃と𝜆はそれぞれ緯度と経度に変換されます。ハウメアの赤道長半径𝑎
に一致するように、0∘ の方位角と経度を定義します。この規則により、180∘ 経度は赤道長軸にも対応し、赤道短軸は -90 および 90∘ の経度に対応します。採用した経度は東向きが正です。この規則により、経度の増加方向はハウメアの自転方向と一致します。球面座標は計算に便利ですが、三軸楕円体の表面を指定する際に使用すると、いくつかの特殊性が生じることに注意してください。具体的には、同じ弧長によって囲まれる緯度角と経度角の両方が、ハウメア上の位置の関数として変化します。これらの影響に関して読者の理解を助けるために、空間プロットは、緯度と経度の座標を含む正距円筒図法と、軸が km 単位の 3 次元透視図の両方で示されています (図 1 を参照)。
2.1 座標系
本稿の計算全体を通じて、半径距離𝑟 、極角𝜃、方位角𝜆
の球座標を採用しています。プロットと地理的解釈のために、
𝜃と𝜆はそれぞれ緯度と経度に変換されます。ハウメアの赤道長半径𝑎
に一致するように、0∘ の方位角と経度を定義します。この規則により、180∘ 経度は赤道長軸にも対応し、赤道短軸は -90 および 90∘ の経度に対応します。採用した経度は東向きが正です。この規則により、経度の増加方向はハウメアの自転方向と一致します。球面座標は計算に便利ですが、三軸楕円体の表面を指定する際に使用すると、いくつかの特殊性が生じることに注意してください。具体的には、同じ弧長によって囲まれる緯度角と経度角の両方が、ハウメア上の位置の関数として変化します。これらの影響に関して読者の理解を助けるために、空間プロットは、緯度と経度の座標を含む正距円筒図法と、軸が km 単位の 3 次元透視図の両方で示されています (図 1 を参照)。
表 1. 論文中の計算で採用された物理パラメータと数値定数の値。
図 3. (a) 表面重力 (g) と衝突体半径 (ai) の関数としての表面強度と重力の比率 (π2π3^−2/(2+µ)) の等高線。この等高線から強度から重力へのレジーム遷移を解釈できます。具体的には、レジーム遷移は 0.1 < π2π3^−2/(2+µ) < 10 のときに発生します。上部の 2 番目の x 軸は、下部の g 値に対応する緯度を示しています。0.27 < g < 0.8 m/s2 に対応する一意の緯度は、これらの g 値に対応する複数の緯度が存在するため、ラベルを付けることができません。(b) ここでの網掛けの等高線は、表面重力 (g) と衝突体半径 (ai) の関数として得られるクレーターの直径 (D) を示しています。曲線はサブプロット a) に等高線として示されている同じ
π2π3^−2/(2+µ)
パラメータのものです。これにより、強度から重力状態への遷移に対応するクレーターの直径を読み取ることができます。
図 4. Apont´e Hernandez ら 2021 が計算した、重力の関数としての氷体の単純なクレーターから複雑なクレーターへの遷移が黒線で示されています。この計算が当てはまる惑星の点は、重力が増加する順に、ミマス、ミランダ、エンケラドゥス、テティス、ウンブリエル、イアペトゥス、ディオネ、アリエル、ケレス、カロン、オベロン、冥王星、トリトン、カリスト、エウロパ、ガニメデです。冷たい氷の表面強度と重力の比 (π2 π3^−2/(2+µ)) が 10 に等しい場合を紫色で、1 に等しい場合を茶色で示しています。これらは、破線と点線が当てはめられている円または X の位置で数値的に計算されています。
図 5. ハウメアの最大（極）表面重力と最小（赤道）表面重力におけるクレーター体積のパーセント差（∆V）を、衝突速度（U）と半径（ai）の関数として表したもの。
図 6. (a) 3 つの異なる表面重力に対応する表面位置における衝突体サイズの関数としてのクレーター体積 (V ) の対数。(b) サブプロット a) に体積が示されているクレーターのクレーター直径 (D)。(c) サブプロット a) に体積が示されているクレーターのクレーター深さ (d)。
図 7. 緯度の関数として、ハウメアの最大表面重力位置での噴出物の厚さ (Bg) と噴出物の厚さ (Bg,max) の比。Bg/Bg,max
は経度 0、180◦および -90、90◦で示されています。
図 8. (a) 緯度と経度の関数としての最小噴出速度 (v∗)。 (b) v∗ の 3D パースペクティブ。プロットの規則は図 2 と同じです。
6議論
ハウメアの赤道での遠心加速度が重力加速度に匹敵することは以前から知られていた。これがハウメアの独特な形の説明です。しかし、ここではまず、衝突プロセスに焦点を当てて、その表面環境への影響を探りました。ハウメアの赤道表面の長軸の位置の重力は、極のそれよりもほぼ2桁低い。さらに、ハウメアの大きな平坦化の度合い(すなわち、最大の赤道軸でさえも長さの60%に過ぎない極半長軸)は、高緯度で表面の法線ベクトル(>60∘)は、ハウメアの重心から放射状に外側に大きく逸脱しています。これは強い
𝑔𝜃これらの緯度におけるハウメアの表面重力ベクトルは、表面の法線に対して極方向を向いています。最後に、ハウメアは緯度の増加に伴って表面重力強度の非単調な増加を示します。これは、25〜70の間の特定の表面重力加速度値を持つ緯度の縮退に現れます∘.これは小さな天体に見られるものですが、太陽系で知られている惑星サイズの天体の中では確かにユニークです。
表面重力強度の計算では、球面調和重力係数の計算を容易にするために、ハウメアの密度を均一にしたと仮定しました。これは当然のことながら、区別されていると推定されるハウメアにとって非現実的な仮定です(Dunham et al.,2019;Noviello等、2022).しかし、ハウメアの赤道表面重力が低くなる主な要因は、1次の半径方向項(𝑔𝑟,1)と遠心加速度(𝜔𝑟)は、この密度の仮定に依存しません(付録のこれらの用語の拡張を参照してください)。差別化されたハウメアは、わずかに小さい値𝑔表面を横切って。
図10:(a)ハウメアを脱出する噴出物質量の割合(𝑀𝑒𝑠𝑐 / 𝑀∗)を緯度と経度の関数として使用します。(b)の3D透視図
𝑀𝑒𝑠𝑐 / 𝑀∗.プロットの規則は、図 2 と同じです。
我々は、ハウメアの重力範囲の95%に表面重力を持つ他の16個の氷天体のクレーターの観測を用いて、ハウメアの単純な遷移直径から複雑な遷移直径を予測した。単純な遷移直径から複雑な遷移直径の予測では、点源関係によって予測されるように、遷移直径は主に強度領域の外側で発生することがわかります。それにもかかわらず、以下では
𝑔= 0.10 m/秒^2では、観測データを外挿すると、強度領域で起こる単純なものから複雑なものへの遷移が予測されますが、これは、一時的なクレーターを複雑なクレーターに変えるスランプの最終的な原因が重力であることを考えると矛盾しています。太陽系外縁部の温度とスケールにおける氷の引張強度に関する理解が深まり、大きな衝突(𝑌)を使用して、計算された強度-重力状態遷移を改良すると役立ちます。氷天体上の単純なクレーターから複雑なクレーターへの遷移に関する追加の探査機観測研究
𝑔<0.10メートル/秒^2有益でしょう。1つの例外を除いて、土星の衛星ハイペリオンとフィービーでは複雑なクレーターは観測されていないようですが、これは実際には、氷天体から観測的に導き出された傾向を外挿するよりも、計算された重力に対する強度の領域と一致します(図4による)。十分な規模の氷への衝突の実験的研究は事実上ほとんど不可能であるが、スケーリング理論と爆発試験から得られた入手可能なデータを直接比較する研究は非常に有益であるが、これらを含む軍や企業の報告書が比較的入手しにくいため、複雑である(ホルサップル、2022).
クレーターの寸法を調べると、半径が>500 mでは、緯度の関数としてのクレーター体積の差は、クレーターの直径よりもクレーターの深さの差が比例して大きくなることで調整されます。これは、地表重力強度に対するクレーター底の反発が地表重力の強さに敏感であることによるものと推定される。跳ね返りは、直径よりもクレーターの深さを変化させます。地表重力が強い環境にある複雑なクレーターは、地表重力の低い環境にある同等の体積のクレーターよりも深さと直径の比率が低くなります(パイク、1977;ホルサップル、1993;White等、2017;Robbins等、2021).
強度レジームのクレーターの場合(∼極で0.5km、赤道で200km)、噴出物の厚さの変動幅は地表重力の変動範囲とほぼ同じで、2桁に近づいています。地表重力が高いほど噴出物の堆積物が薄くなり、強度領域で重力が増すと噴出物がクレーターの縁に近づく(Hosenら、1983).これまでは、噴出物の相対的な厚さの違いを定量化することに重点を置きましたが、これは、高緯度(表面重力が強い)の噴出物ブランケットの半径方向も、低緯度の噴出物に比べて小さくなることを意味します。我々の計算では、ハウメアの長軸付近の赤道域では、ハウメアの他の地域よりも噴出物ブランケットが劇的に目立つことが示唆されている。
ハウメアのクレーターの寸法と噴出物の厚さの空間的な変化については、同じサイズの衝突体でクレーターの特性がどのように変化するかに着目しました。実際には、ハウメアはその歴史の中でさまざまなサイズのオブジェクトの影響を受けてきたでしょう。我々は、我々が予測した効果が、ハウメア表面上の位置の関数として、クレーター特性の統計的歪みとして現れることを強調する。具体的には、ハウメアの赤道地域のクレーターは、ハウメアの極域のクレーターと比較して、噴出物が薄く、優先的に深くなります。ハウメアの中緯度は、緯度の関数として地表の重力加速度の縮退を示し、クレーターの深さとエジェタの厚さは、厳密には極域や赤道域に存在するよりも広い分布を示す。
ハウメアの表面を横切る表面重力の2桁の変動は、ハウメアの速い回転速度と相まって、ハウメアの表面を横切る脱出速度に大きな変動をもたらします。静水圧平衡状態にある、またはそれに近い他の天体は、緯度の変化のみを示す。ハウメアの形状により、縦方向にもかなりのばらつきがあります。ハウメアの赤道に沿って、ハウメアの脱出速度は38%変化します。
ハウメアの独特な形状と3.92時間の短い日周期は、同じ天体全体でクレーターの形態と形態に劇的な変化をもたらすことを実証しました。クレーターの種類、体積、深さ、噴出物の厚さ、衝突時に保持される噴出物の違いの程度は、現在知られている太陽系の惑星サイズの天体に特有のものです。ハウメアの表面に結晶質の氷が存在することは、表面の年代について非常に大まかな潜在的な制約を与えている。この研究におけるクレーター特性の計算は、隕石フラックスの推定値と組み合わせることで、緯度経度の関数としてのクレーターの種類とサイズの空間分布の統計的予測を作成することができる。
また、ハウメアの環境の形状から生じる特異な特徴を予測するための研究分野も数多く残されています。地表に関しては、ハウメアにそのような海があったという予測を考えると、地下の海が凍った結果としてのテクトニクスが強い可能性を秘めています(Noviello et al.,2022).内部モデリングは、ハウメアの分化したコアも三軸楕円体であることを示唆しているが、赤道重力がかなり低いことで、内部から赤道領域への通信流出がさらに集中する可能性はあるのだろうか?したがって、ハウメアは表面的にはカロンに似ており、赤道テクトニクスで比較的クレーター状になっている可能性がある。しかし、前者はカロンよりもハウメアの方がはるかに広い形態を示し、複雑なクレーターはほとんどなく、赤道ではより顕著な噴出物があり、おそらくミマスに似ていることが実証された。対照的に、両極はより複雑なクレーターを持ち、クレーター縁の周りの噴出物の集中は、ガニメデとカリストに見られる台地やその他の噴出物の形態として現れる可能性があります。
質量の浪費は、土星の衛星で提案されているような衝撃の揺れとして、また起こっている可能性があります(Singer et al.,2012;ファセット&トムソン、2014).これが可変表面重力場によってどのように影響を受けるかは、未解決の問題です。さらに、ハウメアの表面重力の変動は、内部構造や表面特徴の静水圧調節にどのような影響を与えるのでしょうか?極緯度と赤道緯度で衝突噴出物が優先的に脱出することは、ハウメアの形状の長期的な進化に影響を及ぼす可能性があるのだろうか。このような疑問は、さらなる調査が必要です。
7概要
私たちは、クレーターの出現に着目して、ハウメアの表面形態を初めて詳細に予測しました。ハウメアの表面組成が主に不活性水の氷であることを考えると、クレーターが主要な表面特徴になると予想されます。以下の調査結果を報告する。
1. ハウメアの実効表面重力加速度は、1.076 m/sとほぼ2桁のばらつきがあります2極点では、最小0.0126 m/s2ハウメアの形状とハウメアの遠心加速度の強さの両方による、その長軸の赤道位置にあります。さらに、ハウメアは
𝑔緯度で、強いと一緒に
𝑔𝜃ハウメアの表面重力ベクトルは、高緯度における地表法線に対して極方向を向く( 60∘>).
2. ハウメアの単純なクレーターから複雑なクレーターへの遷移直径は、緯度の関数として大きく変化すると予想されます。氷天体で観測された遷移を重力の関数として用いると、単純な遷移から複雑な遷移の直径(
𝐷𝑡)は、ハウメアの赤道における最小表面重力の位置で36.2 kmであり、
𝐷𝑡= 極で 6.1 km。したがって、クレーターは赤道地域では単純であり、極域では複雑である可能性が高くなります。衝撃過程の物理がハウメアの表面材料強度と表面重力のどちらによって支配されるかを区別する際、強度から重力状態への移行は
∼
極点で0.5km、赤道で150𝑘𝑚。
3. ハウメアの表面重力の空間的変動により、同じ大きさと衝突速度の衝突体は、ハウメアの表面全体に異なる形態を持つクレーターを形成する。重力状態のクレーター(大きなクレーター)の場合、赤道付近のクレーターは中緯度のクレーターよりも体積が大きく、直径が大きく、かなり深く、極のクレーターがそれに続く。また、赤道域のクレーターは複雑になる可能性も低い。
4. 同じ衝突体に対するクレーター特性の同じ空間的変化は、強度領域のクレーター(より小さなクレーター)の場合、噴出物にも及びます。クレーター噴出物は、極の最大重力の位置で最も薄くなり、厚さは最大10になると予想されています
×
地表の他の場所では高く、最大63
×
ハウメアの赤道にある長軸の位置のすぐ近くで厚くなります。
5. ハウメアの脱出速度は、その形状と大きな角速度のために、ハウメアの赤道全体で厳密に38%変化します。極点での脱出速度の最高値(0.97km/s)は、赤道域の最小脱出速度(0.60km/s)より62%多い。
6. ハウメアの脱出速度は極ほど高いが、最小噴出速度(𝑣∗)をハウメアの高緯度で計算すると、同じサイズの衝突体の場合、極緯度と赤道緯度でハウメアの重力井戸から逃げる噴出物の質量分率が高くなります。
ハウメアに関する我々の予測は、かさ密度、同等の半径、そして太陽系の同じ広義の領域を占めているにもかかわらず、大型カイパーベルト天体は信じられないほど多様であり、さらに個別に調査する価値があるという考えを補強するものです。ハウメアは冥王星やエリスのような揮発性の物質は持っていないが、クレーターの特徴の空間的な変動は、太陽系だけでなくカイパーベルトの他の場所でも見られないかもしれない。
図 3. (a) 表面重力 (g) と衝突体半径 (ai) の関数としての表面強度と重力の比率 (π2π3^−2/(2+µ)) の等高線。この等高線から強度から重力へのレジーム遷移を解釈できます。具体的には、レジーム遷移は 0.1 < π2π3^−2/(2+µ) < 10 のときに発生します。上部の 2 番目の x 軸は、下部の g 値に対応する緯度を示しています。0.27 < g < 0.8 m/s2 に対応する一意の緯度は、これらの g 値に対応する複数の緯度が存在するため、ラベルを付けることができません。(b) ここでの網掛けの等高線は、表面重力 (g) と衝突体半径 (ai) の関数として得られるクレーターの直径 (D) を示しています。曲線はサブプロット a) に等高線として示されている同じ
π2π3^−2/(2+µ)
パラメータのものです。これにより、強度から重力状態への遷移に対応するクレーターの直径を読み取ることができます。
図 4. Apont´e Hernandez ら 2021 が計算した、重力の関数としての氷体の単純なクレーターから複雑なクレーターへの遷移が黒線で示されています。この計算が当てはまる惑星の点は、重力が増加する順に、ミマス、ミランダ、エンケラドゥス、テティス、ウンブリエル、イアペトゥス、ディオネ、アリエル、ケレス、カロン、オベロン、冥王星、トリトン、カリスト、エウロパ、ガニメデです。冷たい氷の表面強度と重力の比 (π2 π3^−2/(2+µ)) が 10 に等しい場合を紫色で、1 に等しい場合を茶色で示しています。これらは、破線と点線が当てはめられている円または X の位置で数値的に計算されています。
図 5. ハウメアの最大（極）表面重力と最小（赤道）表面重力におけるクレーター体積のパーセント差（∆V）を、衝突速度（U）と半径（ai）の関数として表したもの。
図 6. (a) 3 つの異なる表面重力に対応する表面位置における衝突体サイズの関数としてのクレーター体積 (V ) の対数。(b) サブプロット a) に体積が示されているクレーターのクレーター直径 (D)。(c) サブプロット a) に体積が示されているクレーターのクレーター深さ (d)。
図 7. 緯度の関数として、ハウメアの最大表面重力位置での噴出物の厚さ (Bg) と噴出物の厚さ (Bg,max) の比。Bg/Bg,max
は経度 0、180◦および -90、90◦で示されています。
図 8. (a) 緯度と経度の関数としての最小噴出速度 (v∗)。 (b) v∗ の 3D パースペクティブ。プロットの規則は図 2 と同じです。
6議論
ハウメアの赤道での遠心加速度が重力加速度に匹敵することは以前から知られていた。これがハウメアの独特な形の説明です。しかし、ここではまず、衝突プロセスに焦点を当てて、その表面環境への影響を探りました。ハウメアの赤道表面の長軸の位置の重力は、極のそれよりもほぼ2桁低い。さらに、ハウメアの大きな平坦化の度合い(すなわち、最大の赤道軸でさえも長さの60%に過ぎない極半長軸)は、高緯度で表面の法線ベクトル(>60∘)は、ハウメアの重心から放射状に外側に大きく逸脱しています。これは強い
𝑔𝜃これらの緯度におけるハウメアの表面重力ベクトルは、表面の法線に対して極方向を向いています。最後に、ハウメアは緯度の増加に伴って表面重力強度の非単調な増加を示します。これは、25〜70の間の特定の表面重力加速度値を持つ緯度の縮退に現れます∘.これは小さな天体に見られるものですが、太陽系で知られている惑星サイズの天体の中では確かにユニークです。
表面重力強度の計算では、球面調和重力係数の計算を容易にするために、ハウメアの密度を均一にしたと仮定しました。これは当然のことながら、区別されていると推定されるハウメアにとって非現実的な仮定です(Dunham et al.,2019;Noviello等、2022).しかし、ハウメアの赤道表面重力が低くなる主な要因は、1次の半径方向項(𝑔𝑟,1)と遠心加速度(𝜔𝑟)は、この密度の仮定に依存しません(付録のこれらの用語の拡張を参照してください)。差別化されたハウメアは、わずかに小さい値𝑔表面を横切って。
図10:(a)ハウメアを脱出する噴出物質量の割合(𝑀𝑒𝑠𝑐 / 𝑀∗)を緯度と経度の関数として使用します。(b)の3D透視図
𝑀𝑒𝑠𝑐 / 𝑀∗.プロットの規則は、図 2 と同じです。
我々は、ハウメアの重力範囲の95%に表面重力を持つ他の16個の氷天体のクレーターの観測を用いて、ハウメアの単純な遷移直径から複雑な遷移直径を予測した。単純な遷移直径から複雑な遷移直径の予測では、点源関係によって予測されるように、遷移直径は主に強度領域の外側で発生することがわかります。それにもかかわらず、以下では
𝑔= 0.10 m/秒^2では、観測データを外挿すると、強度領域で起こる単純なものから複雑なものへの遷移が予測されますが、これは、一時的なクレーターを複雑なクレーターに変えるスランプの最終的な原因が重力であることを考えると矛盾しています。太陽系外縁部の温度とスケールにおける氷の引張強度に関する理解が深まり、大きな衝突(𝑌)を使用して、計算された強度-重力状態遷移を改良すると役立ちます。氷天体上の単純なクレーターから複雑なクレーターへの遷移に関する追加の探査機観測研究
𝑔<0.10メートル/秒^2有益でしょう。1つの例外を除いて、土星の衛星ハイペリオンとフィービーでは複雑なクレーターは観測されていないようですが、これは実際には、氷天体から観測的に導き出された傾向を外挿するよりも、計算された重力に対する強度の領域と一致します(図4による)。十分な規模の氷への衝突の実験的研究は事実上ほとんど不可能であるが、スケーリング理論と爆発試験から得られた入手可能なデータを直接比較する研究は非常に有益であるが、これらを含む軍や企業の報告書が比較的入手しにくいため、複雑である(ホルサップル、2022).
クレーターの寸法を調べると、半径が>500 mでは、緯度の関数としてのクレーター体積の差は、クレーターの直径よりもクレーターの深さの差が比例して大きくなることで調整されます。これは、地表重力強度に対するクレーター底の反発が地表重力の強さに敏感であることによるものと推定される。跳ね返りは、直径よりもクレーターの深さを変化させます。地表重力が強い環境にある複雑なクレーターは、地表重力の低い環境にある同等の体積のクレーターよりも深さと直径の比率が低くなります(パイク、1977;ホルサップル、1993;White等、2017;Robbins等、2021).
強度レジームのクレーターの場合(∼極で0.5km、赤道で200km)、噴出物の厚さの変動幅は地表重力の変動範囲とほぼ同じで、2桁に近づいています。地表重力が高いほど噴出物の堆積物が薄くなり、強度領域で重力が増すと噴出物がクレーターの縁に近づく(Hosenら、1983).これまでは、噴出物の相対的な厚さの違いを定量化することに重点を置きましたが、これは、高緯度(表面重力が強い)の噴出物ブランケットの半径方向も、低緯度の噴出物に比べて小さくなることを意味します。我々の計算では、ハウメアの長軸付近の赤道域では、ハウメアの他の地域よりも噴出物ブランケットが劇的に目立つことが示唆されている。
ハウメアのクレーターの寸法と噴出物の厚さの空間的な変化については、同じサイズの衝突体でクレーターの特性がどのように変化するかに着目しました。実際には、ハウメアはその歴史の中でさまざまなサイズのオブジェクトの影響を受けてきたでしょう。我々は、我々が予測した効果が、ハウメア表面上の位置の関数として、クレーター特性の統計的歪みとして現れることを強調する。具体的には、ハウメアの赤道地域のクレーターは、ハウメアの極域のクレーターと比較して、噴出物が薄く、優先的に深くなります。ハウメアの中緯度は、緯度の関数として地表の重力加速度の縮退を示し、クレーターの深さとエジェタの厚さは、厳密には極域や赤道域に存在するよりも広い分布を示す。
ハウメアの表面を横切る表面重力の2桁の変動は、ハウメアの速い回転速度と相まって、ハウメアの表面を横切る脱出速度に大きな変動をもたらします。静水圧平衡状態にある、またはそれに近い他の天体は、緯度の変化のみを示す。ハウメアの形状により、縦方向にもかなりのばらつきがあります。ハウメアの赤道に沿って、ハウメアの脱出速度は38%変化します。
ハウメアの独特な形状と3.92時間の短い日周期は、同じ天体全体でクレーターの形態と形態に劇的な変化をもたらすことを実証しました。クレーターの種類、体積、深さ、噴出物の厚さ、衝突時に保持される噴出物の違いの程度は、現在知られている太陽系の惑星サイズの天体に特有のものです。ハウメアの表面に結晶質の氷が存在することは、表面の年代について非常に大まかな潜在的な制約を与えている。この研究におけるクレーター特性の計算は、隕石フラックスの推定値と組み合わせることで、緯度経度の関数としてのクレーターの種類とサイズの空間分布の統計的予測を作成することができる。
また、ハウメアの環境の形状から生じる特異な特徴を予測するための研究分野も数多く残されています。地表に関しては、ハウメアにそのような海があったという予測を考えると、地下の海が凍った結果としてのテクトニクスが強い可能性を秘めています(Noviello et al.,2022).内部モデリングは、ハウメアの分化したコアも三軸楕円体であることを示唆しているが、赤道重力がかなり低いことで、内部から赤道領域への通信流出がさらに集中する可能性はあるのだろうか?したがって、ハウメアは表面的にはカロンに似ており、赤道テクトニクスで比較的クレーター状になっている可能性がある。しかし、前者はカロンよりもハウメアの方がはるかに広い形態を示し、複雑なクレーターはほとんどなく、赤道ではより顕著な噴出物があり、おそらくミマスに似ていることが実証された。対照的に、両極はより複雑なクレーターを持ち、クレーター縁の周りの噴出物の集中は、ガニメデとカリストに見られる台地やその他の噴出物の形態として現れる可能性があります。
質量の浪費は、土星の衛星で提案されているような衝撃の揺れとして、また起こっている可能性があります(Singer et al.,2012;ファセット&トムソン、2014).これが可変表面重力場によってどのように影響を受けるかは、未解決の問題です。さらに、ハウメアの表面重力の変動は、内部構造や表面特徴の静水圧調節にどのような影響を与えるのでしょうか?極緯度と赤道緯度で衝突噴出物が優先的に脱出することは、ハウメアの形状の長期的な進化に影響を及ぼす可能性があるのだろうか。このような疑問は、さらなる調査が必要です。
7概要
私たちは、クレーターの出現に着目して、ハウメアの表面形態を初めて詳細に予測しました。ハウメアの表面組成が主に不活性水の氷であることを考えると、クレーターが主要な表面特徴になると予想されます。以下の調査結果を報告する。
1. ハウメアの実効表面重力加速度は、1.076 m/sとほぼ2桁のばらつきがあります2極点では、最小0.0126 m/s2ハウメアの形状とハウメアの遠心加速度の強さの両方による、その長軸の赤道位置にあります。さらに、ハウメアは
𝑔緯度で、強いと一緒に
𝑔𝜃ハウメアの表面重力ベクトルは、高緯度における地表法線に対して極方向を向く( 60∘>).
2. ハウメアの単純なクレーターから複雑なクレーターへの遷移直径は、緯度の関数として大きく変化すると予想されます。氷天体で観測された遷移を重力の関数として用いると、単純な遷移から複雑な遷移の直径(
𝐷𝑡)は、ハウメアの赤道における最小表面重力の位置で36.2 kmであり、
𝐷𝑡= 極で 6.1 km。したがって、クレーターは赤道地域では単純であり、極域では複雑である可能性が高くなります。衝撃過程の物理がハウメアの表面材料強度と表面重力のどちらによって支配されるかを区別する際、強度から重力状態への移行は
∼
極点で0.5km、赤道で150𝑘𝑚。
3. ハウメアの表面重力の空間的変動により、同じ大きさと衝突速度の衝突体は、ハウメアの表面全体に異なる形態を持つクレーターを形成する。重力状態のクレーター(大きなクレーター)の場合、赤道付近のクレーターは中緯度のクレーターよりも体積が大きく、直径が大きく、かなり深く、極のクレーターがそれに続く。また、赤道域のクレーターは複雑になる可能性も低い。
4. 同じ衝突体に対するクレーター特性の同じ空間的変化は、強度領域のクレーター(より小さなクレーター)の場合、噴出物にも及びます。クレーター噴出物は、極の最大重力の位置で最も薄くなり、厚さは最大10になると予想されています
×
地表の他の場所では高く、最大63
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ハウメアの赤道にある長軸の位置のすぐ近くで厚くなります。
5. ハウメアの脱出速度は、その形状と大きな角速度のために、ハウメアの赤道全体で厳密に38%変化します。極点での脱出速度の最高値(0.97km/s)は、赤道域の最小脱出速度(0.60km/s)より62%多い。
6. ハウメアの脱出速度は極ほど高いが、最小噴出速度(𝑣∗)をハウメアの高緯度で計算すると、同じサイズの衝突体の場合、極緯度と赤道緯度でハウメアの重力井戸から逃げる噴出物の質量分率が高くなります。
ハウメアに関する我々の予測は、かさ密度、同等の半径、そして太陽系の同じ広義の領域を占めているにもかかわらず、大型カイパーベルト天体は信じられないほど多様であり、さらに個別に調査する価値があるという考えを補強するものです。ハウメアは冥王星やエリスのような揮発性の物質は持っていないが、クレーターの特徴の空間的な変動は、太陽系だけでなくカイパーベルトの他の場所でも見られないかもしれない。
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