SPHEREx Re-Observation of Interstellar Object 3I/ATLAS in December 2025: Detection of Increased Post-Perihelion Activity, Refractory Coma Dust, and New Coma Gas Species

Sintesi Tecnica: Riorservazione di 3I/ATLAS da parte di SPHEREx

Problema e Contesto
In seguito alle osservazioni iniziali pre-perielio dell'agosto 2025, la missione NASA SPHEREx ha condotto una riosservazione dell'oggetto interstellare (ISO) 3I/ATLAS nel dicembre 2025. L'obiettivo primario era caratterizzare lo stato post-perielio dell'oggetto, investigando specificamente i cambiamenti nei livelli di attività, nella composizione della coma e nelle proprietà della polvere mentre l'oggetto si allontanava dal Sole ma rimaneva all'interno della linea del ghiaccio solare. I dati di agosto indicavano un oggetto dominato da grandi grani di polvere ghiacciata con una limitata sublimazione di specie volatili oltre alla CO₂. Le osservazioni di dicembre miravano a determinare se l'onda termica del passaggio ravvicinato del Sole (perielio il 30 ottobre 2025 a 1,35 UA) avesse penetrato gli strati più profondi dell'oggetto, innescando la sublimazione di ghiacci più volatili e alterando la morfologia e la firma spettrale della coma.

Metodologia
Tra l'8 e il 15 dicembre 2025, SPHEREx ha osservato 3I/ATLAS a distanze eliocentriche ($r_h$) di 2,0–2,2 UA e distanze geocentriche ($\Delta$) di 1,809–1,845 UA. La missione ha utilizzato le sue capacità di imaging spettrofotometrico attraverso 102 canali spettrali discreti che coprono l'intervallo 0,75–5,0 $\mu$m con una risoluzione spettrale ($R$) di 40–130.

La strategia osservativa ha previsto 104 puntamenti speciali con un tempo di integrazione di 115 secondi per fotogramma, centrando l'oggetto sui detector a campo largo (LVF). Il processamento dei dati ha seguito il protocollo stabilito per la campagna di agosto 2025 (Lisse et al., 2025a,b):

1. Fotometria: Un'apertura con raggio di 2 pixel è stata posizionata sulla posizione dell'oggetto per raccogliere i conteggi della sorgente.
2. Sottrazione del Background: I conteggi del background sono stati derivati da un anello circostante e sottratti dall'apertura della sorgente.
3. Analisi: I dati aggregati sono stati analizzati per le caratteristiche del continuo spettrale, le linee di emissione gassosa e la morfologia spaziale. Le misurazioni del flusso corrette per la geometria sono state tracciate in funzione del tempo per valutare la variabilità temporale.

Risultati Chiave

• Aumento dell'Attività e Sublimazione: Le osservazioni di dicembre hanno rivelato un oggetto significativamente più attivo rispetto ad agosto. La caratteristica di emissione del gas H₂O, appena rilevata in agosto, è aumentata di un fattore di ~40, raggiungendo un tasso di produzione ($Q_{gas, H2O}$) di $1,4 \pm 0,28 \times 10^{28}$ molecole/sec. Ciò indica che il ghiaccio d'acqua sta ora sublimando completamente.
• Nuove Specie Gassose:
  • CN: Una nuova linea di emissione è stata rilevata a 0,925 $\mu$m, coincidente con il gas CN.
  • Organici (C-H): Forti bande di emissione tra 3,2–3,6 $\mu$m indicano la presenza di abbondanti organici gassosi (identificati come CH₃OH, H₂CO, CH₄ e/o C₂H₆), con un tasso di produzione ($Q_{gas, organics}$) di $2,0 \pm 0,5 \times 10^{27}$ molecole/sec.
  • CO: Il flusso di monossido di carbonio è aumentato di circa 80 volte rispetto ad agosto, con un tasso di produzione ($Q_{gas, CO}$) di $7,6 \pm 1,5 \times 10^{27}$ molecole/sec. Questo sposta il rapporto di abbondanza CO/CO₂ a ~2,5, un valore tipico per le comete dominate da CO nel sistema solare.
  • CO₂: Il flusso di CO₂ è aumentato solo leggermente (~2x) rispetto ad agosto, suggerendo che questa specie era già quasi completamente attiva prima del perielio.
• Continuo Spettrale e Proprietà della Polvere: Il continuo spettrale è passato da uno spettro di riflettanza dominato dal ghiaccio (simile agli Oggetti della Fascia di Kuiper) a uno dominato dalla luce diffusa (0,75–3,0 $\mu$m) e dall'emissione termica (4–5 $\mu$m) da polvere organo-silicea. La larga caratteristica di assorbimento del ghiaccio d'H₂O è ampiamente scomparsa, sostituita da firme di grani di polvere che hanno perso i loro mantelli di ghiaccio. Il continuo di luce diffusa è significativamente più blu della polvere zodiacale, suggerendo la presenza di carbonio amorfo e polvere ricca di olivina.
• Morfologia:
  • Coma Gassose: Le coma di CO₂ e CO sono circolarmente simmetriche, suggerendo una sorgente centrata sul nucleo.
  • Coma di Polvere e Volatili: Le coma di polvere, H₂O, CN e organici (C-H) esibiscono una morfologia a forma di pera con il "peduncolo" rivolto verso il Sole, distinta dalle coma gassose simmetriche. Ciò suggerisce che queste specie siano originate dai grani di polvere piuttosto che direttamente dal nucleo.
  • Struttura della Coda: Non sono state osservate code di polvere evidenti o dominate dalla pressione di radiazione anti-solare, il che implica la presenza di grani di polvere di grandi dimensioni (scala mm a dm).
• Stabilità Temporale: Le misurazioni del flusso del continuo a 1,0–1,5 $\mu$m non hanno mostrato variabilità superiore al 20% durante il periodo di osservazione (8–15 dicembre).

Significato e Interpretazione
L'articolo sostiene che 3I/ATLAS sia transitato in un corpo cometario pienamente attivo, che sta sublimando tutte le sue componenti di ghiaccio, incluso l'acqua, che era precedentemente troppo freddo per sublimare in agosto. Gli autori attribuiscono questo cambiamento all'onda termica del passaggio ravvicinato del Sole al perielio, che ha penetrato gli strati superficiali dell'oggetto (profondità di alterazione stimata ~10 m), esponendo materiale profondo e non elaborato.

I cambiamenti nella composizione osservati — specificamente gli alti rapporti CO/H₂O (0,55) e CO₂/H₂O (0,23), e il rapporto totale [CO+CO₂]-H₂O di 0,78 — suggeriscono che il gas sia prodotto da fasi di ghiaccio ricche di CO così come da fasi contenenti impurità di H₂O. Gli autori notano che l'alta abbondanza organica rispetto all'acqua ($Q_{Organics}/Q_{H2O} = 0,14$) e l'emergere delle caratteristiche di CN e C-H suggeriscono che queste specie ricche di carbonio fossero contenute all'interno delle fasi di H₂O o intrappolate sotto di esse.

L'articolo conclude che il materiale che compone 3I/ATLAS è fondamentalmente cambiato, passando da un riflettore dominato dal ghiaccio a un emettitore a bassa albedo dominato dalla polvere. Sebbene gli autori riconoscano una tensione riguardo alla dimensione dei "grani di polvere ghiacciata" necessari per spiegare i dati di agosto rispetto alla profondità di penetrazione termica necessaria per spiegare i dati di dicembre, sostengono che i dati attuali supportino un modello in cui il materiale della matrice bulk della cometa sta ora evaporando, rilasciando l'intero inventario delle sue componenti. Queste scoperte allineano la composizione di 3I/ATLAS con quella delle comete del lungo periodo del sistema solare.

Lavoro Futuro
Gli autori dichiarano che le misurazioni spettrofotometriche riportate sono preliminari. Un'analisi più completa è pianificata prima del prossimo passaggio dell'oggetto attraverso il pattern di survey di SPHEREx nell'aprile 2026.