Asteroid and meteorite compositional studies by modeling light scattering

Show full item record



Permalink

http://urn.fi/URN:ISBN:978-951-51-6965-5
Title: Asteroid and meteorite compositional studies by modeling light scattering
Author: Martikainen, Julia
Contributor organization: University of Helsinki, Faculty of Science, Department of Physics
Doctoral Programme in Particle Physics and Universe Sciences
Helsingin yliopisto, matemaattis-luonnontieteellinen tiedekunta
Alkeishiukkasfysiikan ja maailmankaikkeuden tutkimuksen tohtoriohjelma
Helsingfors universitet, matematisk-naturvetenskapliga fakulteten
Doktorandprogrammet i elementarpartikelfysik och kosmologi
Publisher: Helsingin yliopisto
Date: 2021-02-11
Language: eng
Belongs to series: Report Series in Astronomy - URN:ISSN:1799-3032
URI: http://urn.fi/URN:ISBN:978-951-51-6965-5
http://hdl.handle.net/10138/324965
Thesis level: Doctoral dissertation (article-based)
Abstract: Physical characterization of asteroid surfaces by studying the scattered light is challenging as the light-scattering processes are affected by the particle sizes, shapes, and materials, which in most cases are unknown. When interpreting remote-sensing observations, it is important to choose the correct methods for realistic analyses. In the past decades, several extensive studies have been carried out to understand asteroid surfaces, however, none of the previously used models are able to interpret spectroscopy, photometry, and polarimetry at the same time with sufficient precision. In the thesis, light-scattering methods were developed and utilized together with laboratory measurements to characterize asteroid regoliths and meteorite surfaces. The light-scattering methods presented in the thesis take into account both wavelength-scale particles and particles larger than the wavelength of the incident light, which is important as the models used for each wavelength domain are different, and the resonance region is difficult to account for. First, the reflectance spectra of three meteorite samples are simulated using a model combining olivine, pyroxene, and iron. The results are promising as we are able to match the simulated spectra fairly well with the measured spectra. Second, spectroscopic, photometric, and polarimetric modeling of asteroid (4) Vesta shows good results as the reflectance spectra can be modeled with reasonable precision, and the modeled photometry and polarimetry produce non-linear brightening and negative degree of linear polarization in the backscattering direction that is also seen in the observations. Finally, asteroid taxonomic classification is analysed by performing lightcurve inversion for 491 asteroids using convex and ellipsoid shapes. We retrieve phase curve slope parameters, rotation periods, pole orientations, shapes, reference phase curves, and absolute magnitudes in the G band of the ESA Gaia space telescope. Our analysis indicates that there can be mis-classifications in the current taxonomic systems. Asteroid photometry complements the existing classifications based on spectroscopy and provides us with a way to find the correct taxonomy. The forward methods of modeling the scattering properties of surfaces used in the thesis are vital in future studies as they can be applied to other Solar System objects, such as comets and satellite surfaces. Furthermore, retrieving the scattering properties of asteroid surfaces plays a vital role in the future space missions, including asteroid mining. Asteroid lightcurve inversion is useful especially when carrying out taxonomic classification as it provides additional information on the physical properties of the surface. The upcoming Gaia Data Release 3 will be extensive enough for rotational pole retrievals and will improve our current knowledge of the asteroids' physical properties.Asteroidien pintojen tutkiminen valonsironnan avulla on haastavaa, koska pinnan sirontaprosessit riippuvat pinnan hiukkasten koosta, muodosta sekä materiaalista, joita ei yleensä ennalta tunneta. Kaukokartoitushavaintojen tulkintaa ja realistista analysointia varten on tärkeää valita oikeat menetelmät. Viime vuosikymmenten aikana useat tutkimukset ovat keskittyneet asteroidien pintojen mallintamiseen, mutta yksikään aiemmin käytetty malli ei ole pystynyt tulkitsemaan spektroskooppisia, fotometrisia ja polarimetrisia havaintoja yhtäaikaisesti riittävällä tarkkuudella. Väitöskirjani tavoite on kehittää valonsirontamenetelmiä ja käyttää niitä yhdessä laboratoriomittausten kanssa luonnehtimaan asteroidien sekä meteoriittien pintoja. Tässä väitöskirjassa esitetyt valonsirontamenetelmät ottavat huomioon sekä aallonpituusluokan hiukkaset että aallonpituutta suuremmat hiukkaset. Tämä on tärkeää, koska eri aallonpituusalueilla käytetyt mallit ovat erilaisia, erityisesti resonanssialuetta on vaikea mallintaa. Ensimmäiseksi kolmen meteoriittinäytteen heijastusspektrejä simuloidaan käyttämällä mallia, joka yhdistää asteroideissa ja meteoriiteissa yleisimmin esiintyviä materiaaleja: oliviinia, pyroksiinia ja rautaa. Tulokset ovat lupaavia, sillä simuloidut spektrit vastaavat melko hyvin laboratoriossa mitattuja spektrejä. Toiseksi asteroidi (4) Vestan spektroskooppisia, fotometrisia ja polarimetrisia havaintoja mallinnetaan erinomaisin tuloksin. Heijastusspektrejä voidaan simuloida riittävällä tarkkuudella, fotometrinen malli tuottaa epälineaarisen kirkkauden kasvun ja polarimetriassa nähdään negatiivinen lineaarinen polarisaatioaste takaisinsirontasuunnassa, mikä nähdään myös havainnoissa. Lopuksi asteroidien taksonomista luokittelua analysoidaan valokäyräinversion avulla, jossa käytetään sekä konvekseja että epäkonvekseja muotoja. Inversiosta saadaan arvioitua asteroidien vaihekäyrien kulmakertoimet, pyörähdysajat, napojen suunnat, muodot, todelliset vaihekäyrät ja absoluuttiset magnitudit Euroopan avaruusjärjestön (ESA) Gaia-avaruusteleskoopin G-magnitudin aallonpituuskaistassa. Tarkempi analysointi osoittaa, että nykyisissä taksonomisissa järjestelmissä voi esiintyä väärää luokittelua. Fotometriset havainnot täydentävät olemassa olevia spektreihin perustuvia luokitteluja ja auttavat määrittämään asteroidien oikean taksonomian. Väitöskirjassa käytetyt suorat valonsirontamenetelmät ovat ratkaisevan tärkeitä tulevissa tutkimuksissa, sillä niitä voi soveltaa myös muihin Aurinkokunnan kohteisiin, kuten komeettoihin ja satelliitteihin. Lisäksi asteroidien pintakerroksen valonsirontaominaisuuksien laskeminen on tärkeää tulevilla avaruuslennoilla, mukaan lukien tulevaisuuden kaivostoiminta asteroideilla. Asteroidien valokäyräinversio on hyödyllinen taksonomisessa luokittelussa, sillä se antaa lisää tietoa pinnan ominaisuuksista. Gaian kolmas tiedonjulkistus (Gaia Data Release 3) tulee lisäämään ymmärrystämme asteroidien pinnoista ja on lisäksi riittävän laaja naparatkaisujen laskemiseen.
Subject: tähtitiede
Rights: Julkaisu on tekijänoikeussäännösten alainen. Teosta voi lukea ja tulostaa henkilökohtaista käyttöä varten. Käyttö kaupallisiin tarkoituksiin on kielletty.


Files in this item

Total number of downloads: Loading...

Files Size Format View
martikainen_julia_dissertation_2021.pdf 82.03Mb PDF View/Open

This item appears in the following Collection(s)

Show full item record