Optical and Near-Infrared Spectro-Polarimetry of Primordial Small Bodies: A Window to the Evolutionary Histories of Our Solar System

Abstract

Primordial small bodies — comets and asteroids accreted beyond the snow line — are the building blocks of our solar system and are thought to preserve the nascent solar systems information as unique microscale properties of their underlying dust constituents. As such, a thorough understanding of the characteristics of primordial bodies ingredients in a range of temperature and ultraviolet radiation affords a unique window into the birth, infancy, and subsequent history that materials have experienced since the formative epoch of our planetary system.

In this thesis, we delve into dust particles ejected from different types of comets using primarily (spectro-)polarimetry, availing of the fact that the degree and direction of polarization of an object are sensitive to its size and structural profiles. With simultaneous photometric and spectroscopic observations, the coordinated datasets permit us to obtain the gas-free coherent datasets of dust particles, thus significantly reduce the ambiguities on the solution to the plausible dust properties from the observed results. Besides, a two-year photometric monitoring and reflectance spectroscopic observations of a comet and primitive asteroids provide valuable insights into the large-scale evolutionary trends of the physical and compositional traits of their surfaces, respectively, purveying a more comprehensive picture of the building blocks throughout the solar system history. Observations at optical and near-infrared (NIR) wavelengths are particularly critical to our understanding of this pursuit. >~a few micrometer-sized dust grains dominating optical phenomena at these wavelengths reliably trace the underlying size, porosity, and compositional distribution of constituents of the body.

Four related questions concerning the research thrust are: 1. Whatisthedevelopmenttimescaleandthicknessofadustmantleonthecometary surface to suppress the activity significantly in the inner solar system? 2. How does the light scattered by evolved dust particles behave in comparison with the light scattered by freshly ejected particles from the interior? 3. Which dust properties enable us to determine their maturity and therefrom the plausible pathways of evolution? 4. Is it possible to narrow down the plausible evolutionary pathways of primitive bodies via their surface compositions?

This thesis consists of three parts based on the principal methodology used: the first part for photometry, the second for (spectro-)polarimetry, and the last part for spectroscopy. In the first part, using a two-year g'RCIC monitoring observations of comet 17P/Holmes, Jupiter-Family comet under the first apparition since its historic outburst in 2007, we have placed constraints on the surface aging of comets by solar radiation to understand the general behavior of how such an ice-dust mixture reacts to solar irradiation (Chapter 2). From the observed results showing the unexpected dormancy of the comet, we applied a model for characterizing dust-production rates as a function of the heliocentric distance and found that the fractional active area of the cometary nucleus had dropped by three orders of magnitude over 2008–2015. This result suggests that a dust mantle would have developed rapidly in only one orbital revolution around the Sun (<~7 yr). Therefore, we concluded that the areas excavated by the 2007 outburst would be covered with a layer of dust (5–7 cm depth) which would be enough to insulate the subsurface ice and to keep the nucleus in a state of low activity.

In the second part, we obtained imaging and (spectro-)polarimetric observations of three iconic comets (C/2013 US10, 2P/Encke, and 252P/LINEAR), representing each evolutionary stage of comets, to characterize their physical (especially size and porosity) traits of the dust ejecta and further scrutinize how their observed results reflect the status of small bodies in the inner solar system (Chapters 3 through 5). First, we made imaging polarimetric and photometric observations of dynamically-new comet C/2013 US10 (Catalina), robustly determined the fraction of gas signal to the total observed intensity in each band filter (fg) and thus found that the gas emission leaking into the broadband filter (fg = 5–30 % and 3–18 % in the RC and IC bands, respectively, depending on the aperture size) can significantly depolarize the polarization degree of dust. The overall unified polarization degree of coherent dust datasets to the phase angle after gas contamination correction supports the homogeneous dust properties in the accretion epoch of comets in the natal solar system (Chapter 3). Next, we conducted spectro-polarimetry of comet 2P/Encke to derive its dust polarization degree, free of the influence of molecular emissions. The comet is unique because its orbit is dynamically decoupled from Jupiter, like the main-belt asteroids, but it ejects gas and dust like ordinary comets. We found that its continuum polarization degree (33.8 ± 2.7 %) at the phase angle of alpha = 75."7 and the ensuing maximum polarization degree of >~40 % at alpha ~ 100 deg at the effective wavelength of 0.82 μm are >~10 % higher polarization degree than the universal trend of the majority of comets. From the observational evidence, such peculiar polarimetric behaviors of 2P/Encke would be ascribed by the dominance of large, opaque compact dust particles around the nucleus remaining after more frequent and closer perihelion passages near the Sun than other comets. Thirdly, polarimetric monitoring of the dust-driven activity of near-Earth comet 252P/LINEAR has been made for 12 days near perihelion at the NIR (JHKS-band; 1.25–2.25 μm) wavelength, interspersed between broadband optical (0.48–0.80 μm) imaging observations over four months. During its activation event, the dust polarization degree markedly increased by ~13 % at most overall the bands with the abnormal blue polarimetric and photometric colors. After the dedicated case analysis, we concluded the most plausible scenario as a predominant ejection of >~100 μm compact of 30–65 % porosity, organic-free, dust agglomerates from the desiccated surface layer into the coma during the activation. We conjecture that the more intense solar heating that the comet has received in the near-Earth orbit would cause the paucity of small fluffy dust particles around the comet nucleus.

Last but not least, we explored two Jupiter Trojans ((624) Hektor and (911) Agamemnon) trapped in the inner solar systems gateway by analyzing their spectra at the extended NIR wavelength (2.5–4.0 μm) to look into their surface composition and further constrain the probable evolutionary pathway (Chapter 6). We found that the overall >2.5 times redder spectral slope of (624) Hektor than that of (911) Agamemnon and, for the first time, that a possible absorption feature at 3.94 μm in common with >5-sigma confidence for both Trojans. We conjecture that the most probable surface component would be anhydrous Mg-rich carbonates (C–O band) for this absorption feature, indicative of the initial presence of carbon dioxides on both bodies. Along with their spectral similarities with the Tagish Lake meteorites, we support the outer solar system origin of such large Jupiter Trojans beyond >10 au followed by aqueous alteration in their early history.

혜성, 소행성과 같은 미행성체인 소천체는 우리 태양계뿐만 아니라, 카이퍼 벨트와 황도광 같은 태양계와 유사한 환경을 지닌 외계 행성계의 기본 구성 요소이다. 그 중에서도 설선 너머에서 강착된 소천체들을 우리는 원시 소행성체라 하며, 이들은 풍부한 휘발성 물질을 함유하고 있어 태양 인근에서 생성된 내화물에 비해 환경 변화에 민감하리라 여겨진다. 원시 소행성체가 원시 행성계 원반 상에서 강착될 때의 국부 환경 조건은 천체를 이루고 있는 먼지 입자들의 독특한 물리, 화학적 특성을 통해 그 흔적을 남기게 된다. 뒤이은 원시 소천체들이 행성들과 혼돈의 공명, 중력적 접촉을 통해 오늘날의 궤도로 진화하는 동안, 수반되는 온도와 방사 환경의 변화는 구성입자들의 고유 특성을 변형을 야기한다. 그러므로, 원시 소천체 먼지 특성 (특히 입자 크기, 구조, 화학성분)과 이들의 환경 조건에 따른 변화를 이해하는 것은, 태양계 초기 형성시기 이래로 근본 구성 물질이 겪어왔던 진화의 경로를 이해하고 구체화 하는 데에 필수적인 과정이라 할 수 있다.

이 논문에서 우리는 관측된 편광적 특징이 산란체의 크기나 구조적 특징에 민감하게 반응한다는 사실에 기반하여, 서로 다른 종류의 혜성에서 방출된 먼지 티끌을 주로 (분광-)편광법을 사용해 철저히 조사하였다. 편광 관측이 가지는 단점을 보완하기 위해 이와 동시에 측광 및 분광 관측을 수행하였으며, 이렇게 얻은 상호보완적인 데이터들은 가스 오염 성분이 제거된 신뢰성있는 먼지 데이터를 얻게 해줄뿐 아니라 관측 결과를 가장 잘 설명해주는 먼지 티끌 속성을 추론하는 데에 있어 모호성을 크게 줄여주었다. 또한 이들 원시 소천체 표면의 물리적 화학적 특징의 대규모 진화 양상을 이해하기 위해 2년 간의 측광 모니터링 관측과 분광 관측을 각각 혜성과 원시 소행성에 대해 수행하였으며, 이들은 태양계 역사에 걸쳐 기본 구성 요소가 진화하는 데에 있어 포괄적인 그림을 그리는 데에 도움을 주었다. 가시광과 근적외선 파장대는 광학 현상을 주도하는 수 마이크로미터 이상의 크기를 가진 먼지티끌이 태양광에 민감하게 반응해 산란광을 내는 지역으로, 이 파장대에서의 관측은 천체를 이루는 기본 물질들의 크기, 구조, 화학적 성분 분포를 연구하는 데에있어 직접적인 힌트를 제공하여 위에서 언급한 우리의 연구 목표를 달성하는 데에 있어 매우 중요한 역할을 수행한다.

이 논문은 연구에 사용된 주된 방법론의 성격에 따라 크게 세 부분으로 나뉜다: 첫 번째는 측광학, 두 번째는 (분광-)편광학, 마지막은 분광학적 관측 기술이 도입되었다. 가장 먼저 첫 번째 파트에서 우리는 2007년에 역사적인 아웃버스트를 겪고 표면의 전부를 날린 채 원일점으로 멀어져 갔다가 처음으로 다시 내 태양계를 찾은 목성형 혜성인 17P/Holmes의 2년에 걸친 g'RCIC 모니터링 관측을 수행하였다. 이를 통해 17P/Holmes의 표면 노화 현상을 구체화하고 더 나아가 태양복사 아래 일반적인 혜성의 진화 양상을 이해하고자 하였다 (2장). 지난번 출현에서 상당량의 원시 물질을 노출시킬 만큼 표면을 날려버려서 이번에도 활발한 활동성을 보여줄 것이라는 기대와는 달리 혜성의 활동성은 휴면 상태에 가까울 정도로 약했으며, 우리는 관측된 근일점 거리에 따른 먼지 생성률을 설명 하기 위한 모델을 적용하여 혜성 핵 면적 중 활동성을 띄고 있는 부분이 2008--2011년 원일점 부근 20--40 %에서 2014--2015년 근일점 부근 0.1--0.3 %까지 급격한 감소를 겪은 것을 발견했다. 즉, 먼지 층을 형성하는 데에 있어 걸리는 시간은 하나의 궤도 주기보다도 짧으며 (<~7 년), 5--7 센티미터의 내화물로 구성된 얇은 먼지층으로도 내부에 있는 휘발성 물질이 태양복사로 인해 승화하며 만들어내는 활동성을 차단하기에 충분하다는것을 제안할 수 있었다.

두 번째 파트에선 혜성 먼지 방출물의 물리적 (특히 크기와 기공도) 특징을 알아보고 더 나아가 이렇게 밝혀진 특징들이 혜성의 진화 상태를 어떤 식으로 대변하는지 파헤치기 위해 혜성 각각의 진화 단계를 대표하는 독특한 혜성들 세 개(C/2013 US10 (Catalina), 2P/Encke, 252P/LINEAR)를 선정 하여, 이들의 이미지 편광과 분광-편광데이터를 얻었다 (3장, 4장, 5장). 가장 먼저 3장에선 태양계를 살아 생전 처음으로 방문하는 혜성 C/2013 US10 (Catalina)의 이미지 편광과 측광 관측을 수행하였다. 우리는 이 관측 데이터로부터 표준 광대역 측광 필터에서 관측된 천체의 세기 중 가스 성분이 차지하는 비율(fg)을 계산한뒤 먼지 성분을 탐색하는 데에 있어 가스의 오염도가 매우 크다는 것을 입증했다 (구경 크기에 따라 RCIC 밴드에서 각각 fg이 5--30 %, 3--18 %에 달했다). 극성을 없애는 가스 성분을 제거한 먼지 데이터로부터 구한 편광도와 편광도의 위상각, 파장에 따른 분포는 혜성들이 서로 다른 역학 분류 체계에 속함에도 불구하고 매우 비슷한 양상을 보였으며, 우리는 이러한 양상이 태양계 초기 혜성 형성시 강착한 먼지 성분의 광역적인 균질성을 보여주는 것임을 제안하였다. 그 다음 4장에선, 가스 성분에 오염이 되지 않을뿐만 아니라, 가스와 먼지의 편광학적 성분을 동시에 얻을 수 있게 해주는 분광-편광법을 혜성 2P/Encke에 적용하여 이 혜성의 편광학적 특성을 조사해보았다. 이 소천체는 가스와 먼지를 뿜어내는 활동성을 보여준다는 점에선 혜성으로 분류될 수 있으나, 목성의 중력권을 벗어나 독자적인 궤도 진화를 한다는 점에서 혜성이 아닌 소행성의 성격을 가지고 있어 매우 독특한 대상이다. 이 혜성에 대해 우리는 유효 파장 대역 0.82 μm, 위상각 75."7에서 먼지 편광 값 33.8 ± 2.7 %을, 그리고 위상각 ~100도에서 >~40 \%의 매우 높은 먼지 편광 값을 측정하였으며 이는 3장에서 살펴본 주어진 위상각에서 일반적인 혜성들이 보이는 편광값보다 최소 10 %나 높은 값이다. 우리는 관측 결과로부터 2P/Encke의 특이한 편광 특성은 이 혜성의 매우 특이한 궤도 특성에 따른 결과임을 제안하였다. 즉, 2P/Encke는 단주기 혜성들 중 가장 짧은 근일점 거리와 매우 높은 궤도 이심률을 가지고 있는데, 이로 인해 다른 혜성들보다 태양에 훨씬 자주, 가깝게(1000도 이상으로) 방문할 수 있어 더 극심한 변형을 겪게 되는 것이다. 결국 혜성 표면 상/부근에 남아있는 먼지들은 태양 복사압에 저항성이 크고 소결작용을 겪어 크기가 크고, 기공도가 낮고 탄화가 상당히 진행된 상태일 것이며, 이는 다른 이전 연구들의 관측 결과와도 일맥상통한다. 두 번째 파트 중 마지막인 5장에선 근 지구 혜성인 252P/LINEAR의 먼지 크기와 기공도를 좀 더 정량적으로 측정하기 위해, 혜성의 근일점 통과 부근 12일 동안의 근적외선 다중필터(JHKS-밴드; 1.25--2.25 μm) 이미지 편광 결과와, 이 기간을 포함한 총 4개월 동안 시행한 가시광(0.48--0.80 μm)관측 결과를 다루었다. 혜성은 근일점 통과 약 일주일 전부터 폭발적인 밝기 증가를 보였으며, 이 기간동안 혜성의 편광도는 모든 밴드에 걸쳐 최대 ~13 %까지 증가하고 다른 혜성들과는 달리 음의 편광,측광 기울기가 발달하였다. 우리는 관측된 모든 결과들을 동시에 설명할 수 있는 최적의 시나리오를 찾기 위해 맥스웰 방정식 해에 기반하여 가능한 파라미터 조합과 이들의 변화에 대한 모든 케이스들을 고려하였으며 그 결과 찾은 우리의 답은, 불연속적인 밝기 증가 구간에서 크기 100 μm에 기공도 30--65 %를 가진 조밀하며 유기물이 결핍된 집괴암이 혜성 코마에 상당량 유입되었다는 것이다. 즉, 근 지구 궤도에서 혜성이 겪어온 강한 태양열이 작고 성긴 먼지 티끌을 선택적으로 제거하여 혜성 표면에 이와 같은 표면층을 형성한 것이다. 이 연구의 결과는 최근 시행된 2개의 혜성 탐사 미션 결과와도 매우 정확히 일치하여 우리의 접근법이 가진 가능성에 대해 긍정적으로 평가하게 해준다. 즉, 이 세 장에 걸친 편광 연구들은 혜성이 태양 복사에 의해 어떤 식으로 노화되며 이 과정에서 방출하는 먼지의 진화 정도에 따라 보이는 특성에 대해 지상 편광 관측으로도 신뢰성 있는 해석이 가능함을 입증하고 있다.

마지막 장인 6장에선 내 태양계로 진입하는 입구인 목성의 거리에서 수십 억년째 포획된 채 궤도 운동 중인 목성형 트로이군 소행성들에 대한 분광 연구를 다루었다. 우리는 두 트로이군 소행성 (624) Hektor와 (911) Agamemnon의 근적외선 영역의 가장 긴 파장대 (2.5--4.0 μm)에서의 관측데이터를 통해 이들의 표면 성분을 규명하고 이로부터 이들의 기원 환경과 과거 진화 역사를 역추적하였다. 2012년에 스바루 망원경으로 얻은 이 데이터는 기존 동일 파장대의 연구보다 신호 대 잡음비가 최소 10배 이상 좋으며, 이로부터 우리는 (911) Agamemnon이 (624) Hektor보다 >2.5배 더 붉은 색깔이라는 것과 함께, 최초로 두 소행성에 대해 5시그마 이상의 신뢰도로 3.94 μm에서 긍정적인 흡수선의 신호를 포착하였다. 기존 실험실, 운석 연구 결과들과의 비교를 통해 트로이군 소행성들의 흡수선이 마그네슘이 풍부한 C--O 결합을 지닌 무수 탄산염에 의해 형성되었고, 이는 강착 시 천체에 상당한 양의 물얼음과 이산화 탄소 얼음이 존재했음을 시사하고 있다. 이는 더 나아가 이들 천체가 이산화 탄소 동결선인 근일점거리 10 au 너머에서 형성되어 현재 위치로 궤도 진화를 겪는 동안 광범위한 수성 변형을 겪었음을 암시하고 있다.