Surface Properties of Asteroids from Mid-Infrared Observations and Thermophysical Modeling

Abstract

The subject of this work is the physical characterization of asteroids, with an emphasis on the thermal inertia of near-Earth asteroids (NEAs). Thermal inertia governs the Yarkovsky effect, a non-gravitational force which significantly alters the orbits of asteroids up to ~20 km in diameter. Yarkovsky-induced drift is important in the assessment of the impact hazard which NEAs pose to Earth. Yet, very little has previously been known about the thermal inertia of small asteroids including NEAs.

Observational and theoretical work is reported. The thermal emission of asteroids has been observed in the mid-infrared (5-35 µm) wavelength range using the Spitzer Space Telescope and the 3.0 m NASA Infrared Telescope Facility, IRTF; techniques have been established to perform IRTF observations remotely from Berlin. A detailed thermophysical model (TPM) has been developed and extensively tested; this is the first detailed TPM shown to be applicable to NEA data.

Our main result is the determination of the thermal inertia of 5 NEAs, increasing the total number of NEAs with measured thermal inertia to 6. For two of our targets, previously available estimates are refined, no reliable estimates have been available for the remaining three. The diameter range spanned by our targets is 0.1-17 km.

Our results allow the first determination of the typical thermal inertia of NEAs, which is around 300 J s-1/2K-1m-2 (corresponding to a thermal conductivity of ~0.08 W K-1m-1), larger than the typical thermal inertia of large main-belt asteroids (MBAs) by more than an order of magnitude. In particular, thermal inertia appears to increase with decreasing asteroid diameter.

Our results have been used by colleagues to estimate the size dependence of the Yarkovsky effect, thus explaining the apparent difference in the size- frequency distribution of NEAs and similarly sized MBAs.

Thermal inertia is a very sensitive indicator for the presence or absence of particulate material on the surface, a fact that is widely used in, e.g., Martian geology. Our estimate of the typical thermal inertia of NEAs is intermediate between values for lunar regolith and bare rock, indicating that even sub-kilometer asteroids are covered with coarse regolith. This is consistent with spacecraft observations of the 0.32 km wide NEA (25143) Itokawa obtained in 2005.

The correlation of thermal inertia with size indicates a trend of smaller objects having coarser and/or thinner regolith than larger objects. This may allow an improved understanding of regolith formation through impact processes.

The first thermal-infrared observations of an eclipsing binary asteroid system are reported. To this end, the Trojan system (617) Patroclus has been observed using Spitzer. It is demonstrated that such observations enable uniquely direct thermal-inertia measurements. In particular, we report the first reliable estimate of the thermal inertia of a Trojan.

Additionally, two targets of future spacecraft encounters, (21) Lutetia and (10302) 1989 ML, have been observed. Their size and albedo has been determined and their surface mineralogy constrained. Our results for 1989 ML, in particular, are relevant in the current planning of the ESA mission Don Quijote.

Das Thema der vorliegenden Dissertation ist die physikalische Charakterisierung von Asteroiden, wobei das Hauptaugenmerk auf der thermischen Trägheit erdnaher Asteroiden (NEAs) liegt. Thermische Trägheit bestimmt die Stärke des Yarkovsky-Effekts, eines nichtgravitativen Effekts der die Umlaufbahnen kleiner Asteroiden mit Durchmessern bis zu ~20 km maßgeblich beeinflusst. Für die Einschätzung des mit Erdeinschlägen von NEAs verbundenen Risikos ist der Yarkovsky-Effekt wesentlich. Allerdings war über die thermische Trägheit kleiner Asteroiden, insbesondere von NEAs, bislang nur sehr wenig bekannt.

Beobachtungen und theoretische Arbeiten wurden durchgeführt. Die thermische Emission von Asteroiden wurde im mittleren infraroten Wellenlängenbereich (5 - 35 µm) beobachtet. Diese Beobachtungen wurden mit dem "Spitzer Space Telescope" und dem 3,0 m Infrarotteleskop der NASA (IRTF) durchgeführt, darunter die ersten von Berlin aus ferngesteuerten IRTF-Beobachtungen. Ein detailliertes thermophysikalisches Modell (TPM) wurde entwickelt und intensiv getestet; dies ist das erste TPM, dessen Anwendbarkeit auf NEAs gezeigt wurde.

Unser Hauptergebnis ist die Bestimmung der thermischen Trägheit von 5 NEAs; die Gesamtzahl der NEAs mit gemessener thermischer Trägheit beträgt nun 6 einschließlich der von uns betrachteten Objekte. Für zwei von diesen verbessern wir in der Literatur verfügbare Abschätzungen, für die restlichen drei lagen keine verlässlichen Abschätzungen vor. Die Durchmesser der betrachteten NEAs liegen zwischen 0,1 und 17 km.

Unsere Ergebnisse erlauben eine erste Abschätzung der typischen thermischen Trägheit erdnaher Asteroiden: Diese beträgt etwa 300 J s-1/2K-1m-2 (entsprechend einer thermischen Leitfähigkeit von 0,08 W K-1m-1), mehr als eine Größenordnung über der typischen thermischen Trägheit großer Hauptgürtelasteroiden (MBAs). Durchmesser und thermische Trägheit scheinen negativ zu korrelieren.

Unter Benutzung dieser Ergebnisse wurde von Kollegen die Größenabhängigkeit des Yarkovsky-Effekts neu bestimmt. Dies erlaubte ihnen, Unterschiede in der Größenverteilung von NEAs und MBAs ähnlicher Größe zu erklären.

Thermische Trägheit ist ein empfindlicher Indikator für feinkörniges Oberflächenmaterial, dies wird z.B. in der Marsgeologie häufig genutzt. Die thermische Trägheit von NEAs liegt zwischen der von Mondregolith und irdischem Felsgestein. Dies deutet darauf hin, dass sogar die kleinsten betrachteten Asteroiden mit grobem Regolith bedeckt sind, in übereinstimmung mit Nahaufnahmen des 0,32 km großen NEA (25143) Itokawa, die im Jahr 2005 durch die Raumsonde Hayabusa gewonnen wurden.

Die gefundene Korrelation zwischen thermischer Trägheit und Durchmesser lässt auf eine mit abnehmender Objektgröße grobkörniger und/oder dünner werdende Regolithschicht schließen. Voraussichtlich ermöglicht dies ein verbessertes Verständnis von Vorgängen, die für die Regolithbildung bedeutsam sind, z.B. von Impaktprozessen.

Zum ersten Mal wurde ein Verfinsterungsereignis in einem Doppelasteroiden- System im thermischen Infrarot beobachtet: Dazu wurde das Doppelsystem (617) Patroclus, ein Trojaner, mit Spitzer beobachtet. Wie gezeigt wird, erlauben solche Beobachtungen eine einzigartig direkte Bestimmung der thermischen Trägheit. Unser Ergebnis ist die erste zuverlässige Bestimmung der thermischen Trägheit eines Trojaners.

Weiterhin wurden zwei künftige Raumsonden-Ziele untersucht: (21) Lutetia und (10302) 1989 ML. Die Größe und Albedo beider Objekte wurde bestimmt, die mögliche Oberflächenmineralogie eingeschränkt. Unsere Ergebnisse für 1989 ML sind von Bedeutung für die gegenwärtige Planung der ESA-Mission Don Quijote.