Characterization of the physical properties of comet 67p/Churyumov-Gerasimenko's nucleus with the Osiris instrument of the Rosetta mission

par Clément Feller

Thèse de doctorat en Physique. Astronomie, Astrophysique

Sous la direction de Sonia Fornasier.

Le président du jury était Cécile Ferrari.

Le jury était composé de Sonia Fornasier, Cécile Ferrari, Paolo Tanga, Philippe Rousselot, François Poulet, Richard P. Binzel.

Les rapporteurs étaient Paolo Tanga, Philippe Rousselot.

  • Titre traduit

    Caractérisation des propriétés physiques du noyau de la Comète 67p/Churyumov-Gerasimenko avec l’instrument Osiris de la mission Rosetta


  • Résumé

    Au-delà de Neptune, les petits corps du système solaire se trouvent dans un environnement préservant le matériel primordial dont ils sont formés. Aussi, la caractérisation de la structure, l'aspect et la composition d'objets tels que les comètes révèle des informations vitales sur les processus de formation et évolutions qu'ils ont subis. Les petits corps du système solaire externe n'ont connus qu'un léger retraitement thermique et collisionnel, préservant ainsi des indices vitaux de l'histoire du système solaire primitif et permettant de contraindre ses propriétés. En conséquence, l'objectif de la mission ROSETTA de l'ESA était d'effectuer la première étude approfondie d'une comète (67P/Churyumov-Gerasimenko), en la suivant, l'observant et mesurant l'évolution de son activité sur les trois quarts de son orbite. La mission constituait la pierre d'angle de l'étude des petits corps du système solaire de l'ESA.L'objectif de cette thèse fut de déterminer les propriétés photométriques et spectrales, dans le visible, de la surface de la comète en utilisant les images de l'instrument OSIRIS. À cet effet, j'ai développé uneapproche pour préparer et analyser les données OSIRIS: j'ai utilisé etdéveloppé des méthodes existantes pour projeter les images calibrées surdes modèles 3D de la comète, j'ai crée et utilisé des codes pour calculerles géométries d'observations et simulé les images à partir d'éphémérides de la comète et de Rosetta, j'ai implémenté des modèles photométrique afin de déterminer les paramètres donnant le meilleur ajustement aux données. À l'aide de ces outils, j'ai analysé des jeux d'images d'OSIRIS lors de trois manoeuvres de survols effectuées en Août 2014, Février 2015 et en Avril 2016. Durant ces trois manoeuvres, la surface fut cartographiée avec une résolution métrique et centrimétrique, ainsi que sous de nombreuses angles de vue. J'ai aussi analysé des images prises au cours de la mission afin d'étudier certaines particularités de la surface et d'observer leur évolution temporelle. L'ajustement des jeux de données avec le modèle photométrique de Hapke indique que le noyau a une surface très sombre (un albédo de 4.2% à 650 nm), qu'elle diffuse la lumière plus vers la source plus que l'observateur, qu'elle est extrêmement poreuse (à plus de 80%), et que sa réflectivité augmente légèrementde manière non-linéaire, de manière explicable par la disparition des ombres. Outre la nature bi-lobale du noyau cométaire, les analyses de ces images ont montrée la présence d'hétérogénéités de morphologie, de couleurs et d'albédo sur des échelles hectométrique et décimétrique, confirmant ainsiles tendances globales mesurées par ROSETTA/OSIRIS et PHILAE/CIVA. Entre250 nm et 1000 nm, le spectre du noyau ne présente pas de signatures spectrale. La pente du spectre en fonction de la longueur d'onde est strictement positive comme pour certains Centaures et des astéroïdes de type D. Trois types de surface ont été identifiés à l'aide de la pente spectrale. Les terrains et particularités avec les pentes les plus grandes semblent poussiéreuses et desséchées, alors que ceux avec les pentes les plus faibles sont associées avec la présence de matériel riche en glace d'eau. Les images OSIRIS ont également permis de mesurer pour la première fois le rougissement de phase d'un noyau cométaire: la variation de la pente spectral avec la géométrie d'observation. Les deux années de données ont également permis de déterminer que le rougissement de phase varie avec la distance héliocentrique, atteignant sa valeur la plus faible quand la comète est proche du périhélie. Tout comme l'observation de variations diurnes et de falaises fraîchement fracturées, ce résultat indique que sous la surface du noyau, se trouve du matériel riche en glace d'eau.


  • Résumé

    Small bodies of the outer solar system, beyond Neptune, are in an environment that can preserve the base material from which they are formed. Hence the determination of the structure, aspect, and composition of objects such as comets yield vital informations about the formation and evolution processes they went through. Small bodies from the outer solar system have undergone weak thermal and collisionnal reprocessing, thus preserving vital clues on the history of the early solar system, which can constrain its properties. Hence the objective of the European Space Agency/ROSETTA mission was to perform the first in-depth study of a comet (67P/Churyumov-Gerasimenko), following it inbound to and outbound from perihelion, observing it and monitoring the evolution of its activity during most of its orbit. This mission constituted the cornerstone of the study of small bodies of the solar system by ESA.The aim of this thesis has been to determine the photometric characteristics and the spectral properties, from the near-ultraviolet to the near-infrared, of the comet' surface using the images taken by the OSIRIS instrument. For this purpose, I developped an approach to prepare and analyse OSIRIS' datasets: I used and build on existing methods to register calibrated images to a 3D model of the comet, I created and used codes to compute the observational geometries and simulate OSIRIS images using the comet's and Rosetta's ephemerids, I implemented photometric models to determine the parameters required to fit the datasets.Using those tools, I analysed sets of images acquired by OSIRIS during three flyby maneuvers executed in August 2014, in February 2015 and in April 2016. On those three events, the surface was mapped at a meter and sub-meter resolution and also under multiple observing conditions. I also further analysed images taken throughout the mission to investigate particular surface features and signs of temporal evolution. In the description of the Hapke photometric model, the fitting of those dataset point to a nucleus with a very dark surface (4.2% albedo at 650 nm), scattering more light towards the source than the observer, with a high upper-surface porosity (over than 80%), and displaying a limited non-linear increase in reflectivity when source and observer are aligned over the comet' surface, most probably associated with the shadow-hiding phenomemon. Beyond the obvious bilobate nature of the cometary nucleus, the analyses of those images have shown that it present heterogeneities in morphology, colours and albedo of the comet' surface from the hundred of meters to the decimeter scale, confirming the trend noticed from other ROSETTA/OSIRIS and PHILAE/CIVA observations. In the wavelength domain between 250 nm and 1000 nm, the spectrum of the nucleus does not present any band features. The slope of the spectrum increases monotonously with the wavelength in a similar way to certain Centaurs and D-type asteroids. Three categories of surface were identified based on this spectral slope. Terrains and features with the largest slopes appear dusty and dessicated while those with small or flat slopes have associated with the presence of water-ice-rich material. The OSIRIS images have also allowed to measure for the first time the phase reddening effect on a cometary nucleus, that is the variation of the spectral slope with the viewing geometry. The two years of monitoring have also allowed to further determine that the phase reddening of the nucleus varies with the heliocentric distance, reaching its lowest value while the comet was close to perihelion. This result along with observations of diurnal colour variations and of freshly fractured cliffs point to the presence of a higher proportion of water-ice material at a mere distance under the nucleus surface.


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