Asteroid Mass Estimation with Markov-chain Monte Carlo

Show full item record



Permalink

http://urn.fi/URN:ISBN:978-951-51-7532-8
Title: Asteroid Mass Estimation with Markov-chain Monte Carlo
Author: Siltala, Lauri
Contributor: University of Helsinki, Faculty of Science, Department of Physics
Doctoral Programme in Particle Physics and Universe Sciences
Publisher: Helsingin yliopisto
Date: 2021-10-01
Language: en
Belongs to series: Report Series in Astronomy - URN:ISSN:1799-3032
URI: http://urn.fi/URN:ISBN:978-951-51-7532-8
http://hdl.handle.net/10138/334266
Thesis level: Doctoral dissertation (article-based)
Abstract: The mass of an asteroid is considered one of its fundamental properties. Knowledge of an asteroid's mass is, by itself, useful for spacecraft navigation particularly for space missions planned to the asteroid in question. The gravity of massive asteroids causes small yet measurable perturbations on the orbits of the Solar System's planets such as Earth and Mars and thus knowledge of asteroid masses also contributes to the development of accurate planetary ephemerides. However, the mass of an asteroid gives us little scientifically interesting information on the asteroid by itself. Instead, the main scientific motivation for asteroid mass estimation is that the mass, alongside the volume, is one of the two critical parameters required to compute the asteroid's bulk density: when both parameters are known, the bulk density can be trivially computed with a simple division operation. The bulk density, in turn, may be combined with other compositional information of the asteroid, obtained mainly through spectroscopic observations of the asteroid in question, and compared to spectra, compositions, and densities of similar meteorites found on Earth. Such studies, in turn, allow for constraining the bulk composition and macroporosity, and, by extension, the structure of the asteroid. Thus, it is clear that knowledge of an asteroid's mass is critical for all detailed studies of the characteristics of the asteroid's interior. Besides scientific interest, such studies may also have future practical applications for characterizing potential targets for asteroid mining and for planning asteroid deflection in the event of an impact threat. Asteroid mass estimation is traditionally performed by analyzing an asteroid's gravitational interaction with another object, such as a spacecraft, Mars and/or Earth, or a separate asteroid during an asteroid-asteroid close encounter, or, in the case of binary asteroids, the orbits of the component asteroids. Recently, an alternative approach of direct density estimation through detection and modeling of radiative forces, particularly the Yarkovsky effect, has also begun to see use. This thesis deals with asteroid mass estimation based on asteroid-asteroid close encounters. It begins with a general overview of the asteroids followed by a more detailed discussion on the different approaches for the estimation of asteroid masses and densities. Next, I describe our novel application of Markov-chain Monte Carlo techniques to the mass estimation problem in greater detail. To demonstrate the progress achieved with each consecutive paper, I highlight mass estimates for the asteroid (52) Europa beginning with results from my Master's thesis obtained with the initial version of the MCMC algorithm, followed by updated results from the first, third and finally the fifth and final paper included in this thesis. Clear improvements are seen throughout; in particular, the usage of astrometry from the second Gaia data release in Paper V leads to a significant order-of-magnitude reduction of the uncertainty of the mass. Finally, I briefly discuss future prospects, particularly in regards to the forthcoming third Gaia data release.Asteroidin massa on yksi sen pohjimmaisista ominaisuuksista. Itsessään tieto asteroidin massasta on hyödyllistä avaruusalusten navigointiin erityisesti kyseistä asteroidia varten suunnitelluille avaruusmissioille. Tämän lisäksi massiivisten asteroidien painovoima aiheuttaa pieniä mutta havaittavia häiriöitä aurinkokunnan planeettojen kuten Maan ja Marsin ratoihin, ja näin ollen tieto asteroidien massoista on oleellista myös planeettojen paikkojen ennustamiseen korkeilla tarkkuuksilla. Asteroidin massa yksin ei kuitenkaan anna paljoa tieteellisesti mielenkiintoista informaatiota asteroidista itsestään. Kuitenkin asteroidin massa yhdessä sen tilavuuden kanssa on kriittistä informaatiota asteroidin tiheyden laskemiseksi: kun molemmat parametrit tiedetään, tiheys voidaan laskea yksinkertaisella jakolaskulla. Tiheys puolestaan voidaan yhdistää muuhun informaatioon asteroidin koostumuksesta, mitä saadaan lähinnä spektroskopian avulla, ja verrata tätä informaatiota tunnettujen meteoriittien spektreihin, koostumuksiin ja tiheyksiin. Tällainen vertailu mahdollistaa arviot asteroidin koostumuksesta ja rakenteesta. Näin ollen on selvää, että tieto asteroidin massasta on kriittistä kaiken asteroidien sisustojen tutkimuksen kannalta. Tieteellisen mielenkiinnon lisäksi tällaisilla tutkimuksilla voi olla tulevaisuudessa käytännön sovelluksia esimerkiksi asteroidien louhinnan suunnittelussa ja mahdollisten asteroidi-impaktien torjunnassa. Käytännössä asteroidin massanmääritys on perinteisesti tehty analysoimalla asteroidin painovoiman vaikutusta toisiin taivaankappaleisiin, kuten avaruusalukseen, planeettoihin kuten Marsiin tai Maahan, toiseen asteroidiin asteroidien välisen lähiohituksen aikana, tai kaksoisasteroidien tapauksessa asteroidin eri komponentteihin. Hiljattain vaihtoehtoinen lähestymistapa suoraan tiheyden määritykseen asteroidiin vaikuttavien säteilyvoimien avulla on myös tullut mahdolliseksi. Tämä väitöskirja käsittelee asteroidien massanmääritystä asteroidien välisten lähikohtaamisten avulla. Väitöskirja alkaa yleiskatsauksella asteroideihin, minkä jälkeen käydään yksityiskohtaisesti läpi eri lähestymistavat asteroidien massan- ja tiheyden määritykseen. Tämän jälkeen kuvailen tarkasti massanmääritykseen käyttämämme Markov-chain Monte Carlo-algoritmin. Kuvatakseni tutkimustyöni edistystä väitöskirjan peräkkäisissä julkaisuissa, esitän esimerkkituloksina massanmäärityksiä asteroidille (52) Europa aloittaen pro gradussani julkaisemista tuloksista ja jatkaen uudemmilla tuloksilla väitöskirjan ensimmäisestä, kolmannesta, ja viidennestä julkaisusta. Tuloksissa nähdään selkeitä parannuksia ajan myötä; erityisesti viidennessä julkaisussa käytetty Gaia-avaruusmission havaintodata pudottaa massan epävarmuudet noin kymmenesosaan siitä, mihin pelkällä maanpäällisellä havaintodatalla päästään. Lopuksi keskustelen tulevaisuuden näkymistä massanmäärityksen kannalta, erityisesti tulevan kolmannen Gaia-datajulkaisun kannalta.
Subject: tähtitiede
Rights: This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.


Files in this item

Files Size Format View

There are no files associated with this item.

This item appears in the following Collection(s)

Show full item record