The topics of this dissertation align with the scientific objectives of NASA’s DAWN mission, in which the author participated as a member of the DAWN Framing Camera Team and the Chronology Group.
The DAWN space mission, developed as part of NASA’s Discovery Program, was an in international research mission dedicated to the exploration of the two most massive objects in the asteroid belt: the dwarf planet Ceres and the asteroid Vesta. DAWN was the first mission to enter a stable, polar orbit around a planetary body beyond the Earth-Moon system and subsequently transfer into orbit around a second body. During both mission phases, Vesta and Ceres were extensively examined using multiple onboard scientific instruments. Unlike previous missions, which studies asteroids and dwarf planets only through flybys, DAWN’s extended polar orbits provided a unique opportunity to conduct a comprehensive analysis of these two geologically and chemically distinct bodies (Vesta: basaltic, volatile-poor; Ceres: chondritic, volatile-rich).
The overarching goal of the mission was to gain new insights into the formation and evolution of the solar system by studying the two protoplanets Vesta and Ceres using remote sensing techniques. As protoplanets, these bodies represent an intermediate evolutionary stage between planetesimals and fully developed planets and preserve crucial evidence about the conditions of early planetary formation. Over the past 16 years, DAWN successively mapped Vesta and Ceres at various orbital altitudes to obtain data on their internal structure, geology, surface composition, and geologic history. During the second mission extension, additional high-resolution data of Ceres’ surface were acquired to address specific scientific questions. Vesta and Ceres are the most massive bodies in the asteroid belt and, unlike many objects that have been fragmented by collisions, have likely preserved significant aspects of their original geological evolution. Ceres is the largest and most massive object in the asteroid belt and is classified as a dwarf planet by the International Astronomical Union (IAU) due to its nearly spherical shape. Its hydrostatic equilibrium suggests a differentiated interior. Its low density, along with spectral analyses of its surface, indicates a substantial water content.
Geomorphological structures on Ceres provide strong evidence for a volatile-rich crust with localized subsurface water ice deposits. Features such as flow structures, pitted terrains, partially relaxed craters, and surface collapse formations suggest past cryogenic processes and ice-driven deformation. The cryovolcanic structures within Occator Crater — Cerealia Facula, Vinalia Faculae, and Cerealia Tholus - are particularly notable as key sites of recent geological activity, likely caused by the reactivation and ascent of subsurface saline solutions along tectonic fractures formed by the Occator impact. The discovery of these potentially ice-rich formations has reignited scientific interest in Ceres as a target for astrobiological research, leading to its reclassification as a "Relict OceanWorld." In light of these findings, mission concepts for a return to Ceres are currently being developed, focusing on the investigation of the cryovolcanic deposits within Occator Crater to better understand their formation mechanisms, volatile composition, and astrobiological potential.
Over the past 12 years, the author’s involvement in this project has resulted in numerous scientific publications covering three key research areas. (1) The processing of high-precision digital terrain models and georeferenced orthomosaics as data foundations for cartographic, geomorphological, and geostatistical analyses. (2) The development of chronology models for the stratigraphic assessment of crater size-frequency distributions on Ceres and the study of their spatial variability. (3) The detailed mapping and age determination of young geomorphological units on Ceres, considering potential confounding factors.
The publications selected and discussed in this dissertation exemplify these research aspects (1) to (3) as essential prerequisites for a comprehensive approach to planetary surface dating.
Die Themen dieser Arbeit orientieren sich an den wissenschaftlichen Zielsetzungen der NASA DAWN Mission, an der die Autorin als Mitglied des DAWN Framing Camera Teams und der Chronology Group beteiligt war.
Die im Rahmen des NASA Discovery Programs konzipierte Raumsondenmission DAWN war eine internationale Forschungsmission zur Untersuchung der beiden massereichsten Objekte des Asteroidengürtels: des Zwergplaneten Ceres und des Asteroiden Vesta. DAWN war die erste Mission, die außerhalb des Erde-Mond Systems zunächst in eine stabile, polare Umlaufbahn um einen planetaren Körper eintrag und anschließend in die Umlaufbahn eines zweiten überwechselte. Während der beiden Missionsphasen wurden sowohl Vesta als auch Ceres mit mehreren sich an Bord befindlichen wissenschaftlichen Instrumenten detailliert untersucht. Im Gegensatz zu anderen Missionen die Asteroiden und Zwergplaneten lediglich durch Vorbeiflüge erkundeten, bot DAWN durch die langfristigen polaren Orbits eine einzigartige Möglichkeit diese beiden goelogisch und chemisch sehr unterschiedlichen Körper (Vesta: basaltisch, volatilarm; Ceres: chondritisch, volatilreich) umfassend zu analysieren.
Das übergeordnete Ziel der Mission bestand darin, durch die Untersuchung der beiden Protoplaneten Vesta und Ceres mittels fernerkundlicher Methoden neue Erkenntnisse über die Entstehung und Entwickung des Sonnensystems zu gewinnen. Als Protoplaneten stellen diese Körper einen evolutionären Zwischenschrit zwischen Planetesimalen und voll entwickelten Planten dar und bewahren wichtige Hinweise auf die Bedingungen der frühen Planetenentstehung. In den vergangenen 16 Jahren kartierte DAWN zunächst Vesta und anschließend Ceres in unterschiedlichen Orbitphasen, um Daten zur inneren Struktur, Geologie, Oberflächenzusammensetzung ud geologischen Entwicklungsgeschichte zu gewinnen. Während der zweiten Missionsverlängerung wurden weitere hochauflösende Daten von der Oberfläche von Ceres aufgenommen, um spezifische wissenschaftliche Fragestellungen zu untersuchen.
Vesta und Ceres sind die beiden massereichsten Körper im Asteroidengürtel und haben, anders als viele durch Kollisionen fragmentierte Objekte, vermutlich bedeutende Teile ihrer ursprünglichen geologischen Entwicklung konserviert. Ceres ist der größte und massereichste Körper im Asteroidengürtel und wird aufgrund seiner annähernd kugelförmigen Gestalt von der International Astronomical Union als Zwergplanet klassifiziert. Das hydrostatische Gleichgewicht von Ceres weist auf ein differenziertes Inneres hin. Die geringe Dichte sowie spektrale Analysen der Oberfläche deuten auf einen hohenWasseranteil hin.
Geomorphologische Strukturen auf Ceres liefern starke Hinweise auf eine volatilreiche Kruste mit lokalen unterirdischen Wassereisvorkommen. Merkmale wie Fließstrukturen, Pitted Terrain, teils relaxierte Krater oder auch Oberflächenkollapsestrukturen deuten auf vergangene kryogene Prozesse und eisbedinge Deformation hin. Insbesondere die kryovulkanischen Strukturen innerhaln des Occator Kraters - Cerealia Facula, vinalia Faculae und Cerealia Tholus - gelten als Schlüsselregionen für jüngste geologische Aktivität, vermutlich durch die Reaktivierung und den Aufstieg unterirdischer salzhaltiger Lösungen entlang durch den Occator Einschlag entstandener tektonischer Störungen. Die Entdeckung dieser möglicherweise eisreichen Formationen hat das wissenschaftliche Interesse an Ceres als Ziel astrobiologischer Forschung neu entfacht und eine Reklassifikation als sogenannte Relict Ocean World zum Ergebnis. Vor diesem Hintergrund werden derzeit Missionskonzepte zur Rückkehr nach Ceres entwickelt, die insbesondere auf die Untersuchung der kryovulkanischen Ablagerungen innerhalb des Occator Kraters abzielen, um deren Entstehungsmechanismen, volatile Zusammensetzung und astrobiologisches Potential besser zu verstehen.
Im Rahmen der Projektbeteiligung der Autorin entstanden über die vergangenen 12 Jahre zahlreiche wissenschaftliche Publikationen mit drei zentralen Schwerpunkten. (1) die Prozessierung hochpräziser digitaler Geländemodelle sowie georeferenzierter Orthomosaike als Datengrundlage für kartographische, geomorphologische und geostatistische Analysen. (2) Die Entwicklung von Chronologie-Modellen zur stratigraphischen Auswertung der auf Ceres erfassten Kratergrößenhäufigkeitsverteilungen sowie die Untersuchung ihrer räumlichen Variabilität. (3) Die detaillierte Kartierung und Altersdatierung junger geomorphologischer Einheiten auf Ceres unter Berücksichtigung potentieller Störfaktoren.
Die für diese Arbeit selektierten und beschriebenen Veröffentlichungen sollen exemplarisch die in Punkten (1) bis (3) erwähnten Schwerpunkte als notwendigen Vorraussetzung eines umfassenden Ansatzes zur Datierung planetarer Oberflächen verdeutlichen.
