La composition des astéroïdes primordiaux, vestiges de la population des planétésimaux et membres des familles les plus anciennes

par Jules Bourdelle De Micas

Projet de thèse en Astronomie et Astrophysique

Sous la direction de Sonia Fornasier.

Thèses en préparation à Paris Sciences et Lettres , dans le cadre de École doctorale Astronomie et astrophysique d'Île-de-France (Meudon, Hauts-de-Seine) , en partenariat avec Laboratoire d'Etudes Spatiales et d'Instrumentation en Astrophysique (Paris) (laboratoire) et de Observatoire de Paris (établissement de préparation de la thèse) depuis le 01-10-2019 .


  • Résumé

    Les petits corps du système solaire, comètes et astéroïdes, sont les restes des essaims de planétésimaux qui se sont formés au cours des premières phases de l'accrétion des planètes. Les petits corps nous donnent une indication sur la composition chimique primordiale à partir de laquelle les planètes se sont formées il y a 4,6 milliards d'années, et des contraintes importantes sur la localisation de la ligne de neige, sur la validation des théories de migration planétaire, sur les processus d'altération de surface en œuvre dans le système solaire, et sur l'abondance des matériaux organiques et de la glace d'eau qui, suite aux collisions des petits corps avec la Terre, aurait pu déclencher l'apparition de la vie sur notre planète. La formation des planètes et la compréhension des processus d'accrétion des planétésimaux, ces corps primitifs formés par la coalescence de grains de poussière d'un disque protoplanétaire, est une des questions clés de la planétologie. Abordés de façon théorique, les modèles de formation planétaire butent de façon rédhibitoire sur l'absence de données de base relative à la distribution des tailles des planétésimaux et leur composition, e sur la manière avec laquelle ils ont été dispersés et implantés dans les régions internes du disque (Morbidelli et al., 2016; Johansen et al. 2015). Pour répondre à ces questions, le projet ORIGINS « A la recherche des planétésimaux de notre système solaire », en collaboration entre le LESIA et le laboratoire Lagrange de l'Obs. de Nice, a été soumis à l'ANR et récemment financé. Le projet a une approche multidisciplinaire combinant la dynamique orbitale, les observations astronomiques, la cosmochimie et l'acquisition et l'exploitation massive de données afin d'identifier et de caractériser la composition des astéroïdes membres des familles très anciennes (> 3 milliard d'années) dans la ceinture principales, et de ceux qui sont les vestiges des planétésimaux. Pour l'identification des familles, une nouvelle méthode, basée sur la distribution de l'inverse de la taille (D) des astéroïdes versus leur demi grand-axe (a), distribution dite V-shape, dont la pente permet d'estimer l'âge de la famille, a été développé (Delbò et al., 2017), et elle a permis d'identifier une famille d'astéroïdes de 4 milliards d'années dans la ceinture interne. Cette méthode sera étendue à toute la ceinture principale pour identifier dynamiquement les familles anciennes. Une fois identifiées toutes les familles d'astéroïdes, qui sont le résultat de collisions catastrophiques des corps parents, la méthode permet de reconnaître dans l'espace 1/D vs demi grand-axe les astéroïdes vestiges des planétésimaux accrétés directement à partir du disque protoplanétaire. L'objectif de cette thèse est l'étude de la composition des astéroïdes membres de familles anciennes et vestiges de planétésimaux, en étroite collaboration avec les collègues du laboratoire Lagrange (Observatoire de la Côte d'Azur, Nice), qui effectueront l'analyse dynamique et l'identification des familles d'astéroïdes. Plusieurs nuits d'observations sont déjà garanties aux télescopes DCT-d'Arizona (USA) et d'Asiago (Italie) pour des observations en spectroscopie visible et proche infrarouge des astéroïdes primitifs. Le/la candidat(e) participera aux observations aux télescopes et à la réduction, à l'analyse et à l'interprétation des données acquises en spectroscopie visible et proche IR. Il/elle étudiera les spectres obtenus en caractérisant les paramètres spectroscopiques (pentes spectrales, bandes d'absorption) pour contraindre la taxonomie, la composition et la minéralogie de surface via modélisation et comparaison avec les paramètres spectraux des minéraux et des météorites mesurés en laboratoire et disponibles dans des bases des données (RELAB, ASTER). L'objectif est de caractériser la composition et la minéralogie d'environ 120-150 astéroïdes membres de familles anciennes et vestiges des planétésimaux. A ces données s'ajouteront des milliers des spectres d'astéroïdes obtenus par la mission GAIA dans le domaine 0,4-1 micron, qui seront rendus publics en 2021, et qui permettront de compléter l'analyses compositionnelles des différents astéroïdes primordiaux identifiés. Cette étude donnera des indications sur le gradient de composition et la distribution en taille des planétésimaux dans la nébuleuse solaire, informations essentielles pour les modèles de formation planétaire.

  • Titre traduit

    Composition of primordial asteroids: remnants of the planetesimal populations and members of the oldest asteroids families


  • Résumé

    The small bodies of the Solar System represent remnants of the building blocks of the planets. As such, they are our best tracers for the processes that occurred during the earliest history of the Solar System. For instance, asteroids cast light on the planetesimals composition, on the location of the snow line, on the thermal conditions of the early solar System, on planetary migration theories, and on the alteration processes acting on the Solar System. They also have a high biological importance, because the bombardment of the planets by primitive small bodies, i.e. comets and asteroids belonging to the B, C and D spectroscopic classes (carbonaceous rich asteroids including some organic material), whose composition experienced small changes since their formation, has been a significant part of the planets' histories and, for the Earth, they have delivered organic and volatile materials which might have favored the appearance of life on our planet. The mechanism by which dust accretes into planetesimals is still a tremendous subject of debate in the community (Morbidelli et al., 2016; Johansen et al. 2015a) because fundamental parameters, such as planetesimals original size frequency distribution and composition, are unknown. Recent models suggest that planetesimals are formed in the protoplanetary disc by clumping of solid particles that reach densities high enough to become self-gravitating and contract to form the final bodies, a process also favored by disk's turbulence (Johansen et al., 2007; Cuzzi et al., 2008) and the Kelvin-Helmoltz or streaming instability (Youdin et al., 2005). To cast light on the planetesimal size distribution and composition, we proposed the ORIGINS project, which was recently funded by the ANR. This project is based on a novel approach aiming at identifying the oldest families across the main belt, and removed them from our sight in order to reveal the original asteroids direct survivors of the planetesimals, using a new method developed by Delbo' et al. (2017). This method is based on correlations of points in the 1/Diameter vs. semimajor axis plane, called V-shapes, as they resemble the letter “V”, whose slope indicates family age. It already allowed to identify a new 3.5 Gyr old family in the inner belt and 17 asteroids remnants of the original planetesimals. It will be applied to the whole main bet, and we will thus identify and characterize the composition of the primordial asteroids. This thesis is dedicated to the investigation of the composition of primordial asteroids both members of old families and remnants of the original planetesimals. The dynamical identification of these bodies will be perform by the Lagrange team colleagues, while the spectroscopic investigation of the targets will be done at LESIA and will be the core of this thesis. The candidate will actively participate to the spectroscopic survey in the visible and near infrared (0.5-2.4 micron) range to characterize the composition of both families' members and leftover planetesimal. He/she will take part to the observing campaigns at the telescope, to the data reduction, interpretation and modelling. We have guaranteed time (6-8 nights/year for the next 4 years) at the 1.8m Asiago telescope for the visible region and at the 4.3m DCT telescope in Arizona (15 nights in 2019-2021) for the near infrared spectra. Additional observing time will be further asked via open time and competitive proposals. The goal is to characterise the composition of 120-150 asteroids members of old families and remnants of planetesimals during 2019-2022. Several absorption features associated to silicates, aqueous altered minerals, organics, sulphide, and eventually ices, if any, fall in the 0.4-2.5 micron range allowing us to detect the presence of a given compound, constrain the mineralogical abundances, the grain size of the compounds, and the global composition of the investigated asteroids. Strong interactions are needed between dynamical and compositional studies to establish families' memberships of asteroids. In fact, compositional homogeneity of family members is one of the working hypothesis needed to separate members of a given family from background objects. For this reasons, composition and physical properties such as albedo are fundamental parameters both to characterize the composition of a family, and strength and reject family memberships. To enlarge the available sample of data, we will use the low-resolution spectra from ESA's Gaia space mission (BP-RP instruments), which will be released in early 2021. Several tens of thousands of asteroids should have Gaia visible spectra (0.4-1 micron range). This thesis work will provide fundamental clues on the compositional gradient and on the size distribution of the primordial planetesimals across the asteroid main belt.