Remnant Planetesimals and their Collisional Fragments: Physical Characterization from Thermal–Infrared Observations

Abstract

In this work I have investigated the physical properties of near–Earth objects (NEOs) and trans–Neptunian objects (TNOs), two small–body populations at the focus of current Solar System research. TNOs are pristine icy objects that reside beyond the orbit of Neptune. NEOs are physically evolved objects with orbits that, at times, bring them close to the Earth. Both populationsformed from the same disk of planetesimals, the building blocks of the planets, representing different stages of evolution: TNOs may be the least altered population of remnant planetesimals, while NEOs are fragments that have formed through collisions, analogous to pebbles forming from rocks in a stream–bed. Dynamical models suggest that most NEOs originate from main–belt asteroids, which orbit between Mars and Jupiter, but some appear to be of cometary origin. I have investigated whether the predictions concerning the origin of NEOs are consistent with their observed physical properties. I have focused on a possible cometary origin for some NEOs: scattered TNOs can enter the NEO population as short–period comets, where they become indistinguishable from asteroidal NEOs after cessation of their activity. Physical properties of NEOs and TNOs have been derived in the framework of the “ExploreNEOs” (Trilling et al. 2010) and “TNOs are Cool!” (Müller et al. 2010) programs, which obtained space–based thermal–infrared observations of NEOs and TNOs, respectively, using the Spitzer Space Telescope and the Herschel Space Observatory. Both programs study physical ensemble properties and the properties of individual objects. An important aspect of my work has been the derivation of diameters and albedos from ExploreNEOs and TNOs are Cool! observations using asteroid thermal models. I have compared albedos of NEOs derived from ExploreNEOs data and albedos of their parent populations in the main belt and short–period comets; albedo distributions of the parent populations have been derived from literature data on the basis of dynamical model predictions. In general, the results of the comparison agree with predictions from dynamical models, except for a lack of low–albedo objects among the NEOs. I have found that (5 ± 3)% of all NEOs in a size–limited sample have a cometary origin. In the course of the latter analysis, I have shown that one of the largest NEOs, (3552) Don Quixote, is in fact an active comet currently in the process of evolving into an asteroid. The example of Don Quixote suggests that the presence of volatiles and cometary activity in the NEO population are more common than expected. As a contribution to the TNOs are Cool! program, I have investigated the physical properties of a representative sample of Plutinos, a TNO subpopulation. I have found no significant correlation between the albedos of TNOs and their taxonomic type classifications, according to Barucci et al. (2005). I have found that the presence of ices on the surfaces of TNOs does not necessarily give rise to higher albedos. However, I have observed that TNOs with diameters larger than 900 km are likely to have surface ices, and those larger than 1200 km have extraordinarily high albedos. Based on their size and albedo distributions, I have identified those TNO subpopulations, from which the short–period comets are most likely the originate. In conclusion, the physical property comparisons in this work support the inferences from dynamical models regarding connections between different Solar System small–body populations.

In der vorliegenden Arbeit untersuchte ich die physikalischen Eigenschaften erdnaher (NEOs) und transneptunischer Objekte (TNOs), Populationen kleiner Körper im Brennpunkt der aktuellen Sonnensystemforschung. TNOs sind ursprüngliche, eisige Körper, deren Bahnen außerhalb der des Neptuns liegen. NEOs sind physikalisch weiter entwickelte Körper mit Bahnen, die sie der Erde nahe bringen können. Beide Populationen entwickelten sich aus den gleichen Planetesimalen und stellen unterschiedliche Entwicklungsphasen dieser Planetenbausteine dar: TNOs könnten die Überreste einer ursprünglichen Population von Planetesimalen darstellen, während NEOs deren Bruchstücke sind, die durch Kollisionen in ähnlicher Weise entstanden sind, wie Kiesel aus größeren Steinen durch Kollisionen und Abrieb. Dynamische Modelle deuten darauf hin, dass die meisten NEOs von den Hauptgürtelasteroiden, die zwischen Mars und Jupiter die Sonne umkreisen, abstammen; andere scheinen von Kometen abzustammen. Ich habe die Vorhersagen dieser Modelle bezüglich des Ursprungs der NEOs anhand deren physikalischen Eigenschaften untersucht. Dabei habe ich mich auf einen möglichen kometären Ursprung einiger NEOs konzentriert: dynamisch instabile TNOs können in die erdnahe Population als aktive kurzperiodische Kometen eintreten, wo sie nach Beendigung ihrer Aktivität von den Asteroiden kaum noch zu unterscheiden sind. Die physikalischen Eigenschaften von NEOs und TNOs wurden im Rahmen der “ExploreNEOs” (Trilling et al. 2010) und “TNOs are Cool!” (Müller et al. 2010) Programme bestimmt, in welchen weltraumgestützte Beobachtungen unter Verwendung des Spitzer Space Telescope und des Herschel Space Observatory durchgeführt wurden. Beide Programme erforschen die physikalischen Ensemble–Eigenschaften im Allgemeinen und einzelne Objekte im Besonderen. Ein wichtiger Anteil meiner Arbeit bestand in der Bestimmung von Durchmessern und Albedos aus den Beobachtungsdaten mittels thermischer Modelle für Asteroiden. Basierend auf “ExploreNEOs”–Daten verglich ich die Albedo–Eigenschaften der NEOs mit denen ihrer Quell–Populationen im Asteroiden–Hauptgürtel und den Kometen. Im Allgemeinen stimmen die Albedo–Verteilungen mit den Vorhersagen überein, es wurde jedoch ein Mangel an NEOs mit niedrigen Albedos sichtbar. Ich konnte zeigen, dass (5 ± 3)% aller NEOs in einer Durchmesser–begrenzten Population kometären Ursprungs sind. Im Rahmen dieser Untersuchung stellte sich heraus, dass einer der gr ößten NEOs, (3552) Don Quixote, in Wirklichkeit ein aktiver Komet ist, der sich momentan im Entwicklungssprozess hin zu einem Asteroiden befindet. Das Beispiel Don Quixotes weist darauf hin, dass die Gegenwart flüchtiger Verbindungen und kometäre Aktivität in der NEO–Population häufiger anzutreffen sein könnten, als angenommen. In einem Beitrag zum “TNOs are Cool!” Programm habe ich die physikalischen Eigenschaften einer repräsentativen Auswahl von Plutinos, einer TNO–Untergruppierung, untersucht. Ein Vergleich der Albedos von TNOs mit ihrer taxonomischen Klassifizierung nach Barucci et al. (2005) erbrachte keine signifikante Korrelation. Die Gegenwart von Oberflächeneis auf TNOs hat nicht zwingend eine hohe Albedo zur Folge. Jedoch habe ich festgestellt, dass TNOs mit Durchmessern größer als 900 km wahrscheinlich zumindest teilweise mit Eis bedeckt sind und dass solche TNOs, die größer als 1200 km sind, außerordentlich hohe Albedos besitzen. Basierend auf Größen– und Albedo–Verteilungen, konnte ich diejenigen TNO–Untergruppierungen identifizieren, die am wahrscheinlichsten zu den Quellen der kurzperiodischen Kometen zählen. Abschließend unterstützt der Vergleich der physikalischen Eigenschaften der verschiedenen Kleinkörperpopulationen die Vorhersagen dynamischer Modelle zu deren Wechselwirkung.