The topic of this dissertation is the investigation of physical properties of near-Earth Asteroids (NEAs) to improve our understanding of their nature, origin and their relation to main-belt asteroid (MBAs) and comets. A major aspect of the research is the use and the improvement of models of the thermal infrared emission of asteroids (the so-called thermal models) to facilitate the determination of sizes, albedos and other physical properties of NEAs. A major development within this study is the discussion of the results from new observing programs with the 10m - Keck 1 telescope, the NASA- Infrared Telescope Facility (IRTF) on Mauna Kea, Hawaii and the 3.6m telescope at the European Southern Observatory (ESO), La Silla, Chile. In the framework of these observing programs, thermal emission continua of thirty-two NEAs have been obtained in the medium infrared (MidIR) (5-20 microns). By fitting thermal models to the observational data, we have derived the sizes and the albedos of a significant sample of the near-Earth asteroid population. This work increments the number of NEAs with measured sizes and albedos by 54%. If we include objects for which the diameter and the albedo have been refined, this increment increases up to almost 70%. The uniqueness of our project was the possibility of studying smaller and fainter objects which are only accessible with the most up-to-date Mid-IR instrumentations and the largest telescopes on the ground. There were very few thermal infrared observations of asteroids in the 1-kilometer size range, and we have more than doubled the number of subkilometer-NEAs with measured size and albedos. The good quality data that we have obtained constitute the largest database of NEAs radiometric diameters and albedos. An accurate determination of sizes for a significant sample of NEAs, besides providing crucial input for the assessment of the impact hazard these objects pose for our planet, gives important clues about their surface characteristics. Although we confirm that the spread of NEA albedos is very large (pV = 0.02 - 0.55), consistent with their being supplied from more than one source region, we have found that observed NEAs are on average brighter than MBAs. The average value of radiometrically determined albedo is 0.27, which is much higher than the mean albedo of observed MBAs (~0.11). In several cases the albedos are in the ranges expected for their taxonomic types, although some exceptions are evident. Overall, we find that observed S-type NEAs are on average 20% brighter than S-type MBAs, whereas observed C-type NEAs have on average albedos 57% higher than C-type MBAs. Such dichotomy between the albedo statistics of large and small asteroids implies a fundamental difference in surface properties of small asteroids with respect to the larger ones. We show, moreover, that a variation of surface properties with size exists within the NEA population itself. A trend of increasing albedo with decreasing diameter for S-type NEAs has been identified. We argue that this trend is indicative of recently exposed, relatively unweathered surfaces. Although a selection effect in favor of the discovery of the brightest asteroids would give rise to such trend, this result is also consistent with the trend to ordinary-chondrite-type reflection spectra with decreasing size observed in the NEA population. This last effect is also attributed to a lack of space weathering of relatively young surfaces. NEAs do not only have higher albedos than larger MBAs, but they differ also in surface thermal properties. Our work confirms the hypothesis that these asteroids have higher thermal inertias than large MBAs. We have derived a best-fit estimate for the thermal inertia of the observed near-Earth asteroids of 550±100 J m^(-2) s^(-0.5) K^(-1). This value is about eleven times higher that of the Moon and more than 30 times larger that of the largest asteroids 1 Ceres and 2 Pallas. This result has important implications for our understanding of the nature and the origin of these bodies. For instance, the higher thermal inertia is an indication that these asteroids have surfaces covered with a regolith courser than the lunar one and, very likely, different surface fractional rock coverage than large MBAs. This result was obtained by studying the correlation of the observed distribution of surface color temperatures that NEAs display as a function of the phase angle in the light of a thermophysical model. The thermophysical model that we have developed in this work, takes account of the effects of rotation rate, thermal inertia and surface roughness on the thermal emission of airless bodies. In particular, we have demonstrated that the observed distribution of the color temperature with the phase angle can be used to constrain the thermal inertia (and partially the surface roughness) of the observed asteroids in the hypothesis that their spin vectors were randomly oriented. By means of our thermophysical model, we have also obtained a quantitative assessment of the uncertainties in the NEAs albedos and diameters derived by using the Standard Thermal Model (STM and the near-Earth asteroids thermal (NEATM) model, which both make assumption about the surface temperature distribution and the thermal inertia of NEAs. We have numerically estimated a correction function for NEAs radiometric diameters and albedos derived by means of the STM and of the NEATM, provided that spin status and thermal parameter of the asteroid are known. When such information is not available, the accuracy of NEATM results can be still estimated on the basis of the derived color temperature of the objects. Our intriguing new results suggest that, by analyzing thermal infrared observations of NEAs of different sizes and classes by means of thermophysical modelling, it is possible to study the range of thermal properties and surface structure present in the NEA population.
Das Thema dieser Dissertation ist die Untersuchung der physikalischen Eigenschaften von erdnahen Asteroiden (NEAs), um unser Verstaendnis ihrer Natur, ihren Ursprungs und ihre Beziehung zu Hauptgürtelasteroiden (MBAs) zu verbessern. Ein Hauptaspekt dieser Forschungsarbeit ist der Einsatz verbesserter thermischer Modelle zur Beschreibung der Infrarot-Emissionen von Asteroiden. Ziel der Modellierung ist die Bestimmung von Groesse, Albedo und anderen Eigenschaften von NEAs aus Beobachtungsdaten. Einen Kernpunkt dieser Arbeit stellt die Diskussion der Ergebnisse von drei neuen Beobachtungsprogrammen, mit dem 10m Keck 1 Teleskop, dem NASA-Infrared Telescope F. (IRTF) auf dem Mauna Kea, Hawaii, und dem 3,6m Teleskop auf der Europaeischen Suedsternwarte (ESO) in La Silla, Chile, dar. Diese Beobachtungsprogramme umfassten die Messung der thermalen Emission von 32 NEAs im mittleren Infrarot (Mid-IR) von 5-20 microns. Durch einen Fit der thermischen Modelle an die Beobachtungsdaten konnten wir Groesse sowie Albedo einer beachtlichen Anzahl von erdnahen Asteroiden bestimmen. Diese Arbeit erhoeht die Anzahl von NEAs mit bekannten Groessen und Albedos um 54%. Nimmt man Objekte hinzu, deren Durchmesser und Albedo korrigiert wurden, so erhöht sich diese Zahl sogar auf 70%. Die Besonderheit unseres Projektes besteht in der Moeglichkeit, kleinere und lichtschwächere Objekte zu studieren, die sonst nur mit neuesten Mid-IR Instrumenten und den groessten erdgebundenen Teleskopen zugaenglich waren. Bisher gab es nur sehr wenige Beobachtungen von Asteroiden der Groessenordnung von einem Kilometer und wir konnten die Anzahl von Sub-Kilometer NEAs mit bekannter Groesse und Albedo mehr als verdoppeln. Die von uns erhaltenen qualitativ guten Daten bilden die groesste Datenbank von radiometrischen Durchmessern und Albedos von NEAs. Die genaue Groessenbestimmung einer grossen Anzahl von NEAs ermoeglicht uns, neben der Beurteilung der Auswirkungen eines moeglichen Einschlages auf unserem Planeten, wichtige Rueckschuesse auf deren Oberflaecheneigenschaften. Wir konnten bestaetigen, dass die Verteilung der NEA-Albedos sehr breit ist (pV = 0.02 � 0.55), was im Einklang zu der Tatsache steht, dass sie aus mehr als einer Ursprungsregion gespeist werden. Allerdings erwiesen sich die beobachteten NEAs im Allgemeinen als heller als MBAs. Der durchschnittliche Wert der radiometrisch bestimmten Albedos kann mit 0.27 angegeben werden und liegt damit viel hoerher als die durchschnittliche Albedo von beobachteten MBAs (~0.11). In den meisten Fällen bewegen sich die Albedos in den aufgrund ihrer taxonomischen Art erwarteten Bereichen, obwohl einige Ausnahmen evident wurden. Im Allgemeinen fanden wir, dass beobachtete S-type NEAs im Durchschnitt 20% heller als S-type MBAs sind, wobei beobachtete C-type NEAs im Durchschnitt 57% hoehere Albedos als C-type MBAs haben. Solch eine Diskrepanz in der Albedo Statistik zwischen grossen und kleinen Asteroiden impliziert einen fundamentalen Unterschied in den Oberflaecheneigenschaften von kleinen Asteroiden im Vergleich zu den groesseren. Wir zeigen weiterhin, dass es eine Variation der Oberflaecheneigenschaften mit der Groesse innerhalb der NEAs selbst gibt. In diesem Zusammenhang konnte ein Trend von steigender Albedo mit sinkendem Durchmesser von S-type NEAs identifiziert werden. Wir argumentieren weiter, dass dieser Trend ein Anzeichen von erst letztlich freigelegten und dem "space-weathering" ausgesetzten Oberflaechen ist. Dieses Ergebnis ist konsistent mit dem Trend zu Reflexionsspektren von gewoehnlichen Chondriten bei kleineren NEAs, der auch auf das verringerte space weathering an jungen Oberflaechen zurueck gefuehrt wird. NEAs weisen nicht nur eine hoehere Albedo als die groessten MBAs auf, sie differieren auch in ihren thermalen Oberflaecheneigenschaften. Unsere Arbeit bestaetigt die Hypothese, dass diese Asteroiden eine groessere thermische Traegheit als grosse MBAs haben und wir leiten im Zuge dessen einen best-fit Wert von 550±100 J m^(-2) s^(-0.5) K^(-1) fuer die thermische Traegheit der beobachteten NEAs ab. Dieser Wert ist ungefaehr 11-mal höher als der des Mondes und 30-mal hoeher als der der größten Asteroiden 1 Ceres und 2 Pallas. Dieses Resultat hat wichtige Implikationen für unser Verständnis von Natur und Ursprung dieser Objekte. Zum Beispiel weist eine hoehere thermische Traegheit auf groeberes Regolith auf der Oberflaeche dieser Asteroiden im Vergleich zu der des Mondes und, sehr wahrscheinlich, auf eine andere Oberflaechen- Felsverteilung in Bezug auf grosse MBAs hin. Dieses Resultat ergab sich aus dem Studium der Korrelation von beobachteter Verteilung der Oberflaechen-Farbtemperatur von NEAs als Funktion des Phasenwinkels im Lichte eines thermophysikalischen Modells. Das in dieser Arbeit entwickelte Modell bezieht Effekte wie Rotationsrate, thermische Trägheit und Oberflächen-Rauhigkeit für die Berechnung der thermischen Emission von Körpern ohne Atmosphäre ein. Im Speziellen konnten wir demonstrieren, dass die beobachtete Verteilung der Farbtemperatur in Abhaengigkeit vom Phasenwinkel als Mittel zur Bestimmung der thermischen Traegheit (und zum Teil der Oberflaechen-Rauhigkeit) der beobachteten Asteroiden unter der Annahme von zufällig verteilten Spin-Vektoren benutzt werden kann. Mit Hilfe unseres thermophysikalischen Modells konnten wir eine quantitative Bestimmung der Unsicherheiten in Albedo und Durchmesser der NEAs, abgeleitet mit dem Standard Thermal Model (STM) und dem Near Earth Asteroid Thermal Model (NEATM), die beide Annahmen ueber die Oberflaechentemperaturverteilung und thermische Traegheit von NEAs machen, gewinnen. Weiterhin haben wir numerisch eine Korrekturfunktion fuer die radiometrischen Durchmesser und Albedos, die aus dem STM bzw. aus NEATM ermittelt werden, bestimmt, vorausgesetzt Spin Status und thermische Parameter des Asteroiden sind bekannt. Sind solche Informationen nicht verfuegbar, kann die Genauigkeit der NEATM Ergebnisse immer noch auf Basis der abgeleiteten Farbtemperatur der Objekte abgeschätzt werden. Unsere aufregenden neuen Ergebnisse legen nahe, dass die Analyse von thermischen Infrarot- Beobachtungen von NEAs unterschiedlicher Groesse und Klasse mit Hilfe von thermophysikalischen Modellen ein Studium der in der NEA Population vorkommenden thermischen Eigenschaften und Oberflaechenstrukturen möglich macht.
