Excitation of asteroid rotations through impacts

Mgr. Tomáš Henych, Ph.D.

Doctoral thesis

Abstract:

Podle fotometrických pozorování rotuje většina planetek kolem své nejkratší hlavní osy. Několik desítek dnes známých planetek, kterým se říká tumbleři, mají ale excitovanou rotaci. Soudíme tak podle jejich složitých dvouperiodických křivek a také radarových pozorování planetky 4179 Toutatis, která je prvním potvrzeným a zároveň nejlépe popsaným tumblerem. Disipace energie vede k útlumu excitované rotace a návratu do základního rotačního stavu. Časová škála tohoto procesu je pro většinu planetek poměrně krátká. Je tedy logické se ptát, jakým způsobem může být rotace planetek excitována. Hlavní procesy ovlivňující rotaci planetek jsou jejich vzájemné srážky a moment síly spojený s Yarkovsky–O’Keefe–Radzievskii– Paddack (YORP) efektem. V této dizertaci popíšeme analytický model, kterým ověřujeme, jestli mohou být srážky zodpovědné za excitaci rotace. Model využívá škálovací zákony pro výpočet velikosti impaktních kráterů a také účinnost přenosu momentu hybnosti mezi srážejícími se planetkami. Po srážce spočteme světelnou křivku planetky s kráterem a standardní fotometrickou analýzou posoudíme, jestli planetka viditelně preceduje. Zjistili jsme, že srážky mohou excitovat rotaci malých, pomalu rotujících planetek. Jako míru excitace rotace jsme zvolili úhlový odklon nejkratší hlavní osy planetky od vektoru momentu hybnosti. Ve světelné křivce začíná být tumbling patrný pro úhly větší než asi 15 stupňů při použití přesných fotometrických měření. Velikost excitace se dá snadno spočítat na základě znalosti poměru orbitálního momentu hybnosti (který nese hlavně projektil) a rotačního momentu hybnosti cíle. V této práci jsme také odvodili vztah mezi tímto poměrem a úhlovým odklonem nejkratší hlavní osy planetky od vektoru momentu hybnosti. Dále jsme srovnali specifickou energii každé srážky s mezní energií, která by už způsobila výraznou změnu struktury nebo tvaru cílové planetky. Excitace rotace bez významného poškození planetky je možná pro planetky větší než asi 100 m. V závěru diskutujeme naše výsledky a zamýšlíme se nad další prací, která by vedla k hlubšímu pochopení procesů excitace rotace planetek.

Abstract:

Most asteroids are found to be in principal axis rotation states. There is, however, a group of asteroids, called tumblers, which are in an excited state of rotation, i.e., freely precessing. This is indicated by their complex, two-periodic, lightcurves and also by radar measurements of the first confirmed and also the best described tumbler, 4179 Toutatis. A damping of the excited rotation is rather fast in most asteroids which explains why we observe most of them in a basic rotation state. A question arises on how were the asteroids excited. There are two major mechanisms to explain this, collisions and a torque related to Yarkovsky–O’Keefe–Radzievskii–Paddack (YORP) effect. In the thesis we describe an analytical model we constructed to verify the plausibility of the collisional mechanism of the excitation of asteroid rotation. The main features of the model are the scaling laws used for calculation of the impact crater dimensions and the angular momentum transfer efficiency based on laboratory impact experiments. After the collision, a rotational lightcurve is generated for the simulated asteroid and we judge if the tumbling is detectable by the standard photometric analysis. We found that large subcatastrophic collisions are a plausible mechanism to excite rotations of small slowly rotating asteroids. The rotational axis misalignment is used as a measure of tumbling magnitude. Tumbling begins to be detectable for the misalignment angle larger than ∼15◦ with high accuracy data. We also found that the result of a collision can be simply described by the ratio of the orbital angular momentum (mainly carried by the projectile) and the rotational angular momentum of the target. We derived a relation between this ratio and the rotational axis misalignment. In addition, we compared the specific impact energy of the collision to the threshold energy which would already cause a serious damage to the asteroid. We found that asteroids as small as ∼ 100 m can have excited rotation by collision without being damaged. Finally, we discuss our results and describe further work to be done to understand the processes that excite asteroid rotations.

Keywords

planetky, asteroidy, tumbleři, světelné křivky, excitace rotace, precese, subkatastrofické srážky, impaktní krátery, škálovací zákony, účinnost přenosu momentu hybnosti, mezní energie katastrofických srážek, minor planets, asteroids, tumblers, lightcurves, excitation of rotation, precession, subcatastrophic collisions, impact craters, scaling laws, angular momentum transfer efficiency, catastrophic disruption criterion

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 14. 10. 2013

Thesis defence

• Date of defence: 7. 11. 2013
• Supervisor: Mgr. Petr Pravec, Dr.
• Reader: prof. Keith Holsapple, PhD., Dr. Alan W. Harris, PhD.

Masaryk University

Faculty of Science

Doctoral programme / field:
Physics (4-years) / Theoretical Physics and Astrophysics