无大气天体偏振探测的若干问题研究

Light reflection from airless bodies provides important information on their surface compositions and morphologies. As the observational data of polarization detections of airless bodies increase, people have found that the polarized phase curve can provide information on airless body's geometric albedo, compositions and textures, and is very useful in asteroid taxonomy. Due to the absence of in-situ polarization detections and the scarce of returned samples, there are many open questions in interpretations of observational data. To answer these questions, we propose to perform extensive laboratory polarized phase curve measurements on airless body's analog materials including meteorites, terrestrial rocks and minerals, combined with observational data and model computations, to understand the following questions: (1) the accurate relationship between the phase curve parameters and the geometric albedo of the body; (2) the distribution characteristics in parameter space of various airless bodies, and especially the compositions of F-type asteroids with smallest inversion angles and Babarians with largest inversion angles; (3) if more polarization quantities are measured, can they complement the planetary surface information provided by intensity and degree of linear polarization. The understandings of these questions will greatly help the interpretations of observational astronomical data and the development of novel planetary exploration sensors.

月球、矮行星和小行星等无大气天体表面对太阳光的反射提供了其成分和形态信息。随着行星偏振观测数据的积累，人们发现偏振相位曲线的形态特征参数与天体的几何反照率以及表面质地和成分等信息密切相关，并可细化小行星分类，但由于行星返样的稀少且迄今尚无就位偏振测量，导致对偏振观测数据的解译中存在着很多未解问题。本申请计划对各类陨石和岩矿等无大气天体表面相似物进行实验室偏振测量，结合实际观测数据和光散射模型计算，定量理解以下问题：(1)偏振相位曲线特征参数与天体几何反照率之间的准确关系;(2)各类天体相似物在偏振相位曲线特征参数空间分布的规律和特征，推测具有最小反转角的F类小行星和最大反转角的Barbara类天体的表面物质成分;(3)更多偏振参量是否能进一步补充光强和线偏振能提供的表面物质信息。通过本研究将能更好理解偏振天文观测数据所反映的信息，为发展新型偏振探测传感器提供实验和理论基础。

理解包括陨石和各类硅酸盐矿物等在内的各类行星相似物的光度和偏振相位曲线特征，对于理解各类无大气天体表面的物质结构成分具有重要意义。针对小行星偏振探测中存在的一些疑难问题，例如(234)Barbara族和F/B类天体偏振相位曲线所具有的大反转角和小反转角等问题，我们开展了系统的实验室模拟测量。我们发现：Barbara族小行星表现出的大偏振反转角不太可能是由表面上存在的大陨石坑引起的，也不能通过混合具有高低反照率的物质来获得，混合物的反射率和偏振特性总是处于端元的反射和偏振特性之间。大反转角很可能是块状碳质球粒陨石的内在偏振特征。F类小行星表现出的小偏振反转角也可能是由材料固有的化学性质决定的，而CI类小行星相似物的反射光谱和偏振特性与F/B类天体非常相似。对相似物进行的实验室颜色比测量表明，颜色比取决于相位角，颜色比对相位角的变化特征主要取决于矿物类型和光谱吸收。颗粒度会影响颜色比的绝对值，但对颜色比对相位角的依赖特征影响有限。空间风化所导致的行星表壤成熟度的提高会导致硅酸盐矿物材料和钛铁矿的颜色比值相似，在更大的相角下进行测量可能有助于提高高钛和低钛材料之间的颜色比的对比。通过对不同表面矿物颜色比特征的先验知识，我们可以找到颜色比和相位角的最佳组合，以区分目标表面的成分。对“嫦娥4号”测量到的月表就位曲线的研究表明，"嫦娥4号"着陆区的相位曲线比"嫦娥3号" 的更加陡峭和窄，并且具有颜色冲日效应和相红化效应。通过光度模型反演，发现着陆区的月壤比"嫦娥3号" 月壤具有更高的孔隙度，暗示着前者比后者经受过了更强的空间风化作用。