Far-Ultraviolet Spectroscopy of Comets with the Cosmic - - PowerPoint PPT Presentation

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Mar 12, 2023 125 likes •362 views

Far-Ultraviolet Spectroscopy of Comets with the Cosmic Origins Spectrograph on HST Paul D. Feldman 1 , Harold A. Weaver 2 , Michael F. AHearn 3 , Michael R.

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SLIDE 1

Far-­‑Ultraviolet ¡Spectroscopy ¡of ¡Comets ¡with ¡ the ¡Cosmic ¡Origins ¡Spectrograph ¡on ¡HST ¡

Paul ¡D. ¡Feldman1, ¡Harold ¡A. ¡Weaver2, ¡Michael ¡F. ¡A’Hearn3, ¡ Michael ¡R. ¡Combi4, ¡and ¡Neil ¡Dello ¡Russo2 ¡ ¡

1Department ¡of ¡Physics ¡and ¡Astronomy, ¡Johns ¡Hopkins ¡University, ¡BalJmore, ¡MD ¡

21218, ¡USA, ¡pdf@pha.jhu.edu, ¡ ¡

2Johns ¡Hopkins ¡University ¡Applied ¡Physics ¡Laboratory, ¡Laurel, ¡MD ¡20723, ¡USA, ¡

¡3Astronomy ¡Department, ¡University ¡of ¡Maryland, ¡College ¡Park, ¡MD ¡20742, ¡USA, ¡ ¡4Department ¡of ¡Atmospheric, ¡Oceanic, ¡and ¡Space ¡Sciences, ¡University ¡of ¡ Michigan, ¡Ann ¡Arbor, ¡MI ¡48109, ¡USA ¡ ¡

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SLIDE 2

Overview ¡

  • Three ¡comets, ¡103P/Hartley ¡2, ¡C/2009 ¡P1 ¡(Garradd), ¡and ¡C/2012 ¡S1 ¡

(ISON) ¡(observed ¡a\er ¡abstract ¡submission) ¡were ¡observed ¡by ¡HST ¡ using ¡the ¡Cosmic ¡Origins ¡Spectrograph ¡(COS) ¡since ¡May ¡2009. ¡ ¡

  • Each ¡new ¡generaJon ¡of ¡UV ¡spectrograph ¡on ¡HST ¡allows ¡higher ¡

sensiJvity ¡and ¡be_er ¡spectral ¡resoluJon ¡of ¡the ¡CO ¡Fourth ¡PosiJve ¡ system ¡in ¡the ¡spectral ¡range ¡of ¡1400 ¡to ¡1700 ¡Å. ¡ ¡

  • In ¡most ¡cases, ¡the ¡water ¡producJon ¡rate ¡was ¡derived ¡from ¡nearly ¡

simultaneous ¡observaJons ¡of ¡the ¡OH ¡(0,0) ¡band ¡at ¡3085 ¡Å ¡by ¡the ¡ Space ¡Telescope ¡Imaging ¡Spectrograph ¡(STIS), ¡allowing ¡determinaJon ¡

  • f ¡the ¡Q(CO)/Q(H2O) ¡raJo ¡in ¡these ¡comets. ¡ ¡ ¡
  • In ¡all ¡three ¡comets, ¡strong ¡parJally ¡resolved ¡emission ¡features ¡due ¡to ¡

mulJplets ¡of ¡S ¡I, ¡centered ¡at ¡1429 ¡Å ¡and ¡1479 ¡Å, ¡and ¡mulJplets ¡of ¡C ¡I ¡ at ¡1561 ¡Å ¡and ¡1657 ¡Å, ¡were ¡observed. ¡ ¡The ¡S ¡I ¡intercombinaJon ¡ mulJplet ¡at ¡1479 ¡Å ¡is ¡resolved ¡from ¡the ¡allowed ¡resonance ¡mulJplet ¡ but ¡its ¡excitaJon ¡source ¡remains ¡unclear. ¡

3/17/14 ¡ 2 ¡

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SLIDE 3

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  • 'P5!

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SLIDE 4

103P/Hartley ¡2: ¡View ¡from ¡EPOXI ¡and ¡HST ¡

3/17/14 ¡ 4 ¡

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SLIDE 5

103P/Hartley ¡2 ¡– ¡HST/COS ¡

Weaver ¡et ¡al., ¡ApJ ¡734, ¡L5, ¡2011 ¡

5 ¡ 3/18/14 ¡

lbk606010_x1dsum.fits+lbk609010_x1dsum.fits FUVA 2410 s

1600 1650 1700 1750 Wavelength (Å) −1 1 2 Brightness (rayleighs Å−1) C I

lbk606010_x1dsum.fits+lbk609010_x1dsum.fits FUVB 2410 s

1400 1450 1500 1550 Wavelength (Å) −0.5 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 Brightness (rayleighs Å−1) S I S I C I Lupu CO model, T=75 K, N=1.0e13, FWHM=1.0 A

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SLIDE 6

COS ¡FUV ¡spectrum ¡– ¡C/2009 ¡P1 ¡(Garradd) ¡

3/17/14 ¡ 6 ¡

lbws14010_x1dsum.fits FUVA 999 s

1600 1650 1700 1750 Wavelength (Å) 5 10 15 20 Brightness (rayleighs Å−1) C I He I x3 He I x3

lbws14010_x1dsum.fits FUVB 999 s

1400 1450 1500 1550 Wavelength (Å) 5 10 15 20 Brightness (rayleighs Å−1) S I S I C I weighted Lupu CO model, T=50 K, b=1.0, FWHM=1.0 A

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SLIDE 7

Comet ¡C/2012 ¡S1 ¡(ISON) ¡

3/17/14 ¡ 7 ¡

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SLIDE 8

Comet ¡C/2012 ¡S1 ¡(ISON) ¡1 ¡November ¡2013 ¡

8 ¡

Q(CO)/Q(H2O) ¡~ ¡1.3%, ¡similar ¡to ¡what ¡was ¡obtained ¡on ¡28 ¡October ¡(~1.5%). ¡

ISON Nov 01 lccw05010_x1dsum.fits+lccw06010_x1dsum.fits FUVA 2364 s

1600 1650 1700 1750 Wavelength (Å) −2 2 4 6 8 10 Brightness (rayleighs Å−1) C I He I x3 He I x3

ISON Nov 01 lccw05010_x1dsum.fits+lccw06010_x1dsum.fits FUVB 2364 s

1400 1450 1500 1550 Wavelength (Å) 1 2 3 4 5 Brightness (rayleighs Å−1) S I S I C I Lupu ISON CO model, T=50 K, N= 1.50x1013, FWHM=1.0 A

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SLIDE 9

Modeling ¡of ¡the ¡CO ¡Fourth ¡PosiJve ¡bands ¡

  • Model ¡follows ¡the ¡approach ¡of ¡Lupu ¡et ¡al.( ¡ApJ, ¡670, ¡1473, ¡2007), ¡for ¡

treaJng ¡saturaJon ¡of ¡individual ¡lines ¡in ¡a ¡ro-­‑vibraJonal ¡band ¡ (following ¡slides). ¡

  • Average ¡column ¡density ¡in ¡the ¡COS ¡2.5” ¡diameter ¡aperture ¡is ¡derived ¡

from ¡observed ¡spectrum. ¡ ¡CO ¡producJon ¡rate ¡is ¡then ¡calculated ¡ assuming ¡radial ¡ouolow ¡from ¡a ¡symmetric ¡point ¡source. ¡ ¡

  • Adjustable ¡parameters ¡include ¡rotaJonal ¡temperature ¡(Trot), ¡ouolow ¡

velocity, ¡and ¡solar ¡flux. ¡ ¡We ¡use ¡Trot ¡= ¡50 ¡K ¡(for ¡Garradd, ¡Paganini ¡et ¡

  • al. ¡ApJ ¡(Le-ers), ¡748, ¡L13, ¡2012), ¡an ¡ouolow ¡velocity ¡of ¡0.7 ¡km ¡s−1, ¡

and ¡a ¡solar ¡flux ¡appropriate ¡to ¡solar ¡acJvity ¡at ¡the ¡Jme ¡of ¡

  • bservaJon. ¡
  • The ¡uncertainJes ¡in ¡these ¡parameters ¡give ¡a ¡derived ¡value ¡of ¡Q(CO) ¡

reliable ¡to ¡20—30%. ¡

  • From ¡the ¡OH ¡data, ¡a ¡vectorial ¡model ¡fit ¡yields ¡Q(H2O) ¡enabling ¡the ¡

determinaJon ¡of ¡CO ¡producJon ¡rate ¡relaJve ¡to ¡that ¡of ¡H2O ¡from ¡ nearly ¡simultaneous ¡observaJons. ¡

3/17/14 ¡ 9 ¡

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SLIDE 10

HST/STIS: ¡Comet ¡Ikeya-­‑Zhang ¡

Lupu ¡et ¡al., ¡ApJ ¡ ¡670, ¡1473, ¡2007 ¡

1400 1500 1600 1700 Wavelength (Å) −5 5 Offset (arcseconds)

− − − −

−16.30 −15.68 −15.44 −15.28 −15.17 −15.07 −15.00

10 ¡ 3/18/14 ¡

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SLIDE 11

Comet ¡Ikeya-­‑Zhang: ¡ ¡ CO ¡Fourth ¡PosiJve ¡bands ¡ ¡

Lupu ¡et ¡al., ¡ApJ ¡670, ¡1473, ¡2007 ¡

11 ¡

1400 1500 1600 1700 10 20 30 40 50 60

Offset 0" N = 6.13e15 cm−2

1400 1500 1600 1700 10 20 30 40 50 60

Offset 1.5" N = 1.02e15 cm−2

1400 1500 1600 1700 10 20 30 40 50 60

Offset 3" N = 5.12e14 cm−2

1400 1500 1600 1700 10 20 30 40 50 60 Brightness (R Å−1)

Offset 4.5" N = 3.15e14 cm−2

1400 1500 1600 1700 10 20 30 40 50 60

Offset 6" N = 2.03e14 cm−2

1400 1500 1600 1700 10 20 30 40 50 60

Offset 7.5" N = 1.66e14 cm−2

1400 1500 1600 1700 Wavelength (Å) 10 20 30 40 50 60

Offset 9" N = 1.49e14 cm−2

3/18/14 ¡

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SLIDE 12

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  • PP!

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  • 'aP!

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  • 'P5! P'?Q! LWTL!

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  • 5!

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SLIDE 13

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SLIDE 14

S ¡I ¡emission ¡in ¡103P/Hartley ¡2 ¡

At ¡the ¡1 ¡Å ¡resoluJon ¡of ¡ COS ¡both ¡the ¡3P ¡– ¡3Do ¡ mulJplets ¡and ¡the ¡ intercombinaJon ¡3P ¡– ¡

5Do ¡mulJplet ¡are ¡

  • resolved. ¡

¡ RelaJve ¡line ¡intensiJes ¡

  • f ¡the ¡allowed ¡mulJplets ¡

can ¡be ¡modeled ¡with ¡ solar ¡resonance ¡ fluorescence ¡assuming ¡ thermal ¡populaJons ¡of ¡ the ¡ground ¡state ¡J ¡levels. ¡ ¡ ¡

3/17/14 ¡ 14 ¡

lbk606010_x1dsum.fits+lbk609010_x1dsum.fits FUVB 2410 s

1410 1420 1430 1440 1450 Wavelength (Å) 5 10 15 20 25 Brightness (rayleighs Å−1)

S I S column = 1.00e+13 TJ = 200.0 rh = 1.06 rdot = 2.10 bvalue = 1.0 Hartley 2: Nov 04

lbk606010_x1dsum.fits+lbk609010_x1dsum.fits FUVB 2410 s

1450 1460 1470 1480 1490 Wavelength (Å) 5 10 15 20 25 30 Brightness (rayleighs Å−1)

S I allowed S I forbidden Lupu CO model, T=75 K, N=1.0e13, FWHM=1.0 A

−

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SLIDE 15

S ¡I ¡mulJplets ¡at ¡1479 ¡Å ¡

3/17/14 ¡ 15 ¡

Feaga ¡et ¡al., ¡ApJ ¡570, ¡439, ¡2002. ¡

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SLIDE 16

S ¡I ¡emission ¡in ¡C/2009 ¡P1 ¡(Garradd) ¡

3/17/14 ¡ 16 ¡

lbws14010_x1dsum.fits FUVB 999 s

1410 1420 1430 1440 1450 Wavelength (Å) 5 10 15 20 Brightness (rayleighs Å−1)

S I S column = 1.50e+13 TJ = 100.0 rh = 1.59 rdot = 5.40 bvalue = 1.0

lbws14010_x1dsum.fits FUVB 999 s

1450 1460 1470 1480 1490 Wavelength (Å) 5 10 15 20 Brightness (rayleighs Å−1)

S I allowed S I forbidden Lupu CO model, T=50 K, N=1.0e15, FWHM=1.0 A

lbws14010_x1dsum.fits FUVA 999 s

−

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SLIDE 17

Comets ¡Ikeya-­‑Zhang ¡and ¡NEAT ¡

  • Fig. 7.—Residuals from the spectrum of 153P/Ikeya-Zhang and C/2001 Q4 after subtracting the best-fit CO model (N ¼ 3:07 ; 1015 and 3:49 ; 1015 cm2,

respectively). The comet spectra were extracted from a region of 400 width, centered on the comet nucleus. The red line is the predicted H2 fluorescence spectrum pumped by solar Ly for a column density of 1:0 ; 1014 cm2 and a rotational temperature of 200 K. Other atomic contributions are shown in blue.

3/17/14 ¡ 17 ¡

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SLIDE 18

Model ¡fits: ¡Comets ¡Ikeya-­‑Zhang ¡and ¡NEAT ¡

3/17/14 ¡ 18 ¡

1400 1450 1500 1550 1600 1650 1700 Wavelength (Å) −5 5 10 15 20 25 Brightness (rayleighs Å−1)

153P/Ikeya−Zhang

1400 1450 1500 1550 1600 1650 1700 Wavelength (Å) −5 5 10 15 20 25 Brightness (rayleighs Å−1)

C/2001 Q4 (NEAT)

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SLIDE 19

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  • U!

145 150 155 160 165 170 1 2 3

Cross section (arb. units) Wavelength (nm)

20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36

(b)

  • FIG. 1. a and b. Sensitivity calibrated CS2 photoemission spec-

trum over the wavelength range from 115–170 nm for an electron- impact energy of 100 eV. In Table I, the transitions producing all but the smallest features are identified and their emission cross sections are presented.

(c)

  • FIG. 3. a–c H2S photoemission spectrum over the wave-

length range from 90 to 170 nm for an electron-impact energy of 100 eV. The cross section has been corrected for the variation in the photon detection probability with wavelength. The transitions pro- ducing all but the smallest features are identified in Table I.

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SLIDE 20

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SLIDE 21

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SLIDE 22

Summary ¡

  • With ¡COS ¡we ¡have ¡observed ¡three ¡comets ¡and ¡found ¡the ¡CO ¡producJon ¡

rate ¡relaJve ¡to ¡H2O ¡to ¡span ¡two ¡orders ¡of ¡magnitude. ¡ ¡Comet ¡C/2009 ¡P1 ¡ (Garradd), ¡observed ¡over ¡a ¡long ¡Jme ¡span ¡by ¡many ¡different ¡observers, ¡ showed ¡an ¡unusual ¡behavior ¡in ¡CO/H2O ¡producJon ¡rates. ¡ ¡ ¡

  • In ¡103P/Hartley ¡2, ¡the ¡CO ¡producJon ¡rate, ¡relaJve ¡to ¡water, ¡is ¡the ¡lowest ¡

ever ¡measured, ¡and ¡beyond ¡the ¡capability ¡of ¡infrared ¡and ¡sub-­‑mm ¡

  • instruments. ¡Data ¡from ¡the ¡EPOXI ¡fly-­‑by ¡of ¡this ¡comet ¡showed ¡an ¡unusually ¡

high ¡abundance ¡of ¡CO2 ¡as ¡well ¡as ¡an ¡extended ¡coma ¡of ¡icy ¡grains. ¡

  • The ¡S ¡I ¡intercombinaJon ¡mulJplet, ¡5Do ¡− ¡3P, ¡at ¡1479 ¡Å, ¡is ¡resolved ¡from ¡the ¡

allowed ¡resonance ¡mulJplet, ¡3Do ¡− ¡3P ¡and ¡appears ¡in ¡the ¡same ¡relaJve ¡ proporJon ¡to ¡the ¡allowed ¡transiJon ¡all ¡three ¡comets. ¡ ¡The ¡excitaJon ¡ mechanism ¡remains ¡unclear. ¡

  • The ¡Rose-a ¡mission, ¡which ¡recently ¡exited ¡hibernaJon ¡on ¡January ¡20 ¡of ¡

this ¡year, ¡may ¡provide ¡ground ¡truth ¡for ¡some ¡of ¡these ¡quesJons. ¡ ¡ Regre_ably, ¡its ¡target, ¡comet ¡67P/C-­‑G, ¡will ¡not ¡be ¡observable ¡by ¡HST ¡for ¡ most ¡of ¡its ¡appariJon ¡because ¡of ¡solar ¡constraints. ¡

3/17/14 ¡ 22 ¡

slide-23
SLIDE 23

Thanks! ¡

  • Hearoelt ¡thanks ¡to ¡Alison ¡Vick, ¡Tony ¡Roman, ¡Merle ¡Reinhart, ¡

Dave ¡Sahnow, ¡Bill ¡Workman, ¡and ¡Tracy ¡Ellis ¡(all ¡at ¡STScI) ¡for ¡ their ¡expert ¡assistance ¡in ¡planning ¡and ¡execuJng ¡these ¡Jme-­‑ criJcal ¡moving ¡target ¡observaJons. ¡

3/17/14 ¡ 23 ¡