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

Far-­‑Ultraviolet ¡Spectroscopy ¡of ¡Comets ¡with ¡ the ¡Cosmic ¡Origins ¡Spectrograph ¡on ¡HST ¡ Paul ¡D. ¡Feldman 1 , ¡Harold ¡A. ¡Weaver 2 , ¡Michael ¡F. ¡A’Hearn 3 , ¡ Michael ¡R. ¡Combi 4 , ¡and ¡Neil ¡Dello ¡Russo 2 ¡ ¡ 1 Department ¡of ¡Physics ¡and ¡Astronomy, ¡Johns ¡Hopkins ¡University, ¡BalJmore, ¡MD ¡ 21218, ¡USA, ¡pdf@pha.jhu.edu, ¡ ¡ 2 Johns ¡Hopkins ¡University ¡Applied ¡Physics ¡Laboratory, ¡Laurel, ¡MD ¡20723, ¡USA, ¡ ¡ 3 Astronomy ¡Department, ¡University ¡of ¡Maryland, ¡College ¡Park, ¡MD ¡20742, ¡USA, ¡ ¡ 4 Department ¡of ¡Atmospheric, ¡Oceanic, ¡and ¡Space ¡Sciences, ¡University ¡of ¡ Michigan, ¡Ann ¡Arbor, ¡MI ¡48109, ¡USA ¡ ¡

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 ¡ of ¡the ¡Q(CO)/Q(H 2 O) ¡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 ¡

=SL!=1+)C!S>A)04#J1,!"#0#+)C)0A! 3*4+', <"'+, #=6+&)*,>?%@, #=A*',>B4,0 e- [ , C,>?%@, -P;"X/#0C%)E!5! 5P-P!L)B!5a! -'-a! fU';! P'55! -P;"X/#0C%)E!5! 5P-P!@14!P?! -'Pc! g5'-! P'-a! -P;"X/#0C%)E!5! 5P-P!@14!5K! -'-?! gU'P! P'5Q! =X5PPU!"-!YZ#00#**[! 5P-5!F#,!-U! -'aU! ga'a! -'Q5! =X5P-5!L-!YTLS@[! 5P-;!S8C!5-! -'5;! f;Q'Q! -'a;! =X5P-5!L-!YTLS@[! 5P-;!@14!P-! P'UU! f?5'P! -'55! -;D-,7E0+#("F*90, -a;"XTG)E#eh9#,R! 5PP5!2B0!5PX5-! P'UP! g5U'-! P'?;! =X5PP-!b?!Y@]2W[! 5PP?!2B0!5aX5c! -'P5! f-P'5! P'?Q! ;X-QX-?! ;!

103P/Hartley ¡2: ¡View ¡from ¡EPOXI ¡and ¡HST ¡ 3/17/14 ¡ 4 ¡

103P/Hartley ¡2 ¡– ¡HST/COS ¡ Weaver ¡et ¡al., ¡ApJ ¡734, ¡L5, ¡2011 ¡ lbk606010_x1dsum.fits+lbk609010_x1dsum.fits FUVA 2410 s C I 2 Brightness (rayleighs Å − 1 ) 1 0 − 1 1600 1650 1700 1750 Wavelength (Å) lbk606010_x1dsum.fits+lbk609010_x1dsum.fits FUVB 2410 s 2.5 S I S I C I Brightness (rayleighs Å − 1 ) 2.0 Lupu CO model, T=75 K, N=1.0e13, FWHM=1.0 A 1.5 1.0 0.5 0.0 − 0.5 1400 1450 1500 1550 Wavelength (Å) 3/18/14 ¡ 5 ¡

COS ¡FUV ¡spectrum ¡– ¡C/2009 ¡P1 ¡(Garradd) ¡ lbws14010_x1dsum.fits FUVA 999 s 20 C I Brightness (rayleighs Å − 1 ) 15 He I x3 He I x3 10 5 0 1600 1650 1700 1750 Wavelength (Å) lbws14010_x1dsum.fits FUVB 999 s 20 S I S I C I Brightness (rayleighs Å − 1 ) weighted Lupu CO model, T=50 K, b=1.0, FWHM=1.0 A 15 10 5 0 1400 1450 1500 1550 Wavelength (Å) 3/17/14 ¡ 6 ¡

Comet ¡C/2012 ¡S1 ¡(ISON) ¡ 3/17/14 ¡ 7 ¡

Comet ¡C/2012 ¡S1 ¡(ISON) ¡1 ¡November ¡2013 ¡ ISON Nov 01 lccw05010_x1dsum.fits+lccw06010_x1dsum.fits FUVA 2364 s 10 C I Brightness (rayleighs Å − 1 ) 8 He I x3 He I x3 6 4 2 0 − 2 1600 1650 1700 1750 Wavelength (Å) ISON Nov 01 lccw05010_x1dsum.fits+lccw06010_x1dsum.fits FUVB 2364 s 5 S I S I C I Brightness (rayleighs Å − 1 ) 4 Lupu ISON CO model, T=50 K, N= 1.50x10 13 , FWHM=1.0 A 3 2 1 0 1400 1450 1500 1550 Wavelength (Å) Q(CO)/Q(H 2 O) ¡~ ¡1.3%, ¡similar ¡to ¡what ¡was ¡obtained ¡on ¡28 ¡October ¡(~1.5%). ¡ 8 ¡

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 ¡( T rot ), ¡ouolow ¡ velocity, ¡and ¡solar ¡flux. ¡ ¡We ¡use ¡ T rot ¡= ¡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 ¡ observaJon. ¡ • 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(H 2 O) ¡enabling ¡the ¡ determinaJon ¡of ¡CO ¡producJon ¡rate ¡relaJve ¡to ¡that ¡of ¡H 2 O ¡from ¡ nearly ¡simultaneous ¡observaJons. ¡ 3/17/14 ¡ 9 ¡

HST/STIS: ¡Comet ¡Ikeya-­‑Zhang ¡ Lupu ¡et ¡al., ¡ApJ ¡ ¡670, ¡1473, ¡2007 ¡ − − − − − 16.30 − 15.68 − 15.44 − 15.28 − 15.17 − 15.07 − 15.00 5 Offset (arcseconds) 0 − 5 1400 1500 1600 1700 Wavelength (Å) 3/18/14 ¡ 10 ¡

60 50 Offset 0" 40 N = 6.13e15 cm − 2 30 20 Comet ¡Ikeya-­‑Zhang: ¡ ¡ 10 0 60 1400 1500 1600 1700 50 Offset 1.5" 40 CO ¡Fourth ¡PosiJve ¡bands ¡ N = 1.02e15 cm − 2 30 20 10 ¡ 0 60 1400 1500 1600 1700 50 Offset 3" 40 N = 5.12e14 cm − 2 Lupu ¡et ¡al., ¡ApJ ¡670, ¡1473, ¡2007 ¡ 30 20 10 0 Brightness (R Å − 1 ) 60 1400 1500 1600 1700 50 Offset 4.5" 40 N = 3.15e14 cm − 2 30 20 10 0 60 1400 1500 1600 1700 50 Offset 6" 40 N = 2.03e14 cm − 2 30 20 10 0 60 1400 1500 1600 1700 50 Offset 7.5" 40 N = 1.66e14 cm − 2 30 20 10 0 60 1400 1500 1600 1700 50 Offset 9" 40 N = 1.49e14 cm − 2 30 20 10 0 1400 1500 1600 1700 3/18/14 ¡ 11 ¡ Wavelength (Å)

&)074)*!=S!"01*$8J1,!<#C)A! 3*4+', <"'+, # 6 , C, D90', G>37@ I>37@, I>: K 7@, I>37@L >?%@, >?%@, H, J, J, I>: K 7@ , -P;"X 5P-P!@14!P?! -'Pc! P'-a! =SL! -'-a # ! P'PP5c! P'Ka! P'PP;! /#0C%)E!5! =X5PPU!"-! 5P-5!F#,!-U! -'aU! -'Q5! =SL! -PP! 5'P! -P'! P'5P! YZ#00#**[! =X5P-5!L-! 5P-;!@14!P-! P'UU! -'55! =SL! -'aP! P'P;! 5'?! P'P-;! YTLS@[! -a;"XTG)E#e 5PP5!2B0!5P! P'UP! P'?;! LWTL! c-; > ! -'a?!u! 5-'a! P'PQ5! h9#,R! P'PU > ! =X5PP-!b?! 5PP?!2B0!5a! -'P5! P'?Q! LWTL! cK? > ! -'Qc!u! 5P'! P'PKK! Y@]2W[! P'-c > ! H>MN MO ,/4 $K @, 2B)0C$0)Ai! !=SL!5'an!*7#+)C)0! J>MN KP ,0 $M @, ! ! !LWTLi!P'5n!d!-'an! ! ! # 3)#4)0!)C!#%'.!2BF!Q;?.!Oa.!5P-- ! > O$B$!)C!#%'.!2BF!cQP.!-?Q;.!5PPQ ! ;X-KX-?! -5!

=1+)C!Z#00#**!=S!#,*!/ 5 S! !"#$%&'()$')*+,)-)./$)$0"+0&12)*3'&0&'4)"5)3"6$')789::;)<=)>?*@@*##A) ! I1*)V7CA!)C!#%'!Y#AC01eB9!-?P;'PPU5[v!D1%%1V7,R!()#R#!)C!#%'!Y2F!-?Qi5?.!5P-?[! ) )

S ¡I ¡emission ¡in ¡103P/Hartley ¡2 ¡ lbk606010_x1dsum.fits+lbk609010_x1dsum.fits FUVB 2410 s 25 S I rh = 1.06 20 S column = 1.00e+13 T J = 200.0 rdot = 2.10 At ¡the ¡1 ¡Å ¡resoluJon ¡of ¡ Brightness (rayleighs Å − 1 ) bvalue = 1.0 15 COS ¡both ¡the ¡ 3 P ¡– ¡ 3 D o ¡ Hartley 2: Nov 04 mulJplets ¡and ¡the ¡ 10 intercombinaJon ¡ 3 P ¡– ¡ 5 5 D o ¡mulJplet ¡are ¡ resolved. ¡ 0 ¡ 1410 1420 1430 1440 1450 Wavelength (Å) RelaJve ¡line ¡intensiJes ¡ lbk606010_x1dsum.fits+lbk609010_x1dsum.fits FUVB 2410 s of ¡the ¡allowed ¡mulJplets ¡ 30 S I allowed can ¡be ¡modeled ¡with ¡ 25 S I forbidden solar ¡resonance ¡ Brightness (rayleighs Å − 1 ) 20 Lupu CO model, T=75 K, N=1.0e13, FWHM=1.0 A fluorescence ¡assuming ¡ 15 thermal ¡populaJons ¡of ¡ the ¡ground ¡state ¡J ¡levels. ¡ ¡ 10 ¡ 5 0 1450 1460 1470 1480 1490 Wavelength (Å) 3/17/14 ¡ 14 ¡ −