Thèse Année : 2024

Influence of thermal forces on asteroids populations

Influence des forces thermiques sur les populations d'astéroïdes

Wen-Han Zhou
  • Fonction : Auteur
  • PersonId : 1493850
  • IdRef : 28253752X

Résumé

Asteroids are rocky leftover planetesimals that failed to form planets and experienced subsequent collisional evolution. Most of the asteroids are distributed in the so-called ``Main Belt" located from 2.1 to 3.2 astronomical units (au). Studying asteroids is crucial to uunderstanding fundamental problems such as the formation, evolution and life origin of our Solar system and exoplanetary systems.After the gas depletion of the protoplanetary disk and the subsequent giant planet instabilities, Main belt asteroids (MBAs) settle down at their modern location. A small fraction of MBAs is continuously delivered to the near Earth orbit, forming a population called near-Earth asteroids (NEAs) that gain a lot of attention due to their previous history and future threat of impacting our planet. Major dynamical mechanisms shaping the modern asteroid belt and the delivery to the near-Earth space include collisions, planetary interaction and thermal effects, namely the Yarkovsky and YORP effects. These thermal effects are the focus of this thesis.The Yarkovsky effect is the radiative force produced by the thermal radiation in the afternoon side of a spinning object that orbits around the Sun. This effect on a single object has been well described mathematically in the end of the last century. However, its role on a binary asteroid system was not completely understood and often overlooked. In this thesis, I build a basic theoretical framework for the “Binary Yarkovsky” effect. The principle of the Binary Yarkovsky effect is to migrate both the primary and secondary components towards the synchronous orbit where the spin period equals the mutual orbital period. We propose that the Binary Yarkovsky effect on the secondary asteroid (BYS) is the major mechanism to synchronise the secondary asteroids, and Binary Yarkovsky effect on the primary asteroid (BYP) is still shrinking the orbits of most discovered binary asteroids. Future investigation on the long-term evolution of binaries should take BYP and BYS into account.The YORP effect is the radiative torque produced by the thermal radiation from the irregular surface of asteroids. It governs the rotational evolution of small asteroids. Recent photometric surveys from the Gaia mission, allowing observation of long-period asteroids, found an excessive group of slow rotators and a gap separating them from faster rotators, which is unexplained by current theories. I developed an asteroid rotational evolution model capable of reproducing the observed distribution, accounting for the YORP effect, collisions and internal friction damping effects. The model suggests that this distribution is regulated by the competition between collisions and internal friction dampening of "tumblers" -asteroids with unstable rotation vectors, and that the slow rotator group of asteroids is mainly populated by tumblers. We constrain the product of the rigidity and quality factor, which relates to the body's viscosity, to 10^9 Pa. This number, two orders of magnitude smaller than the one assumed for monolithic boulders, implies that rubble pile asteroids could undergo stronger tidal effects than previously thought due to a porous structure and regolith layer.Another puzzle of the YORP effect relates to its sensitivity to the surface structures such as impact craters. The YORP torque of an asteroid frequently changes due to collisions, making it difficult to study its long-term rotational evolution. As an attempt to solve this problem, I developed analytical solutions, verified by numerical solutions, for crater-induced YORP torques, which will be used to study the random-walk behaviour of asteroids' rotation in the future.
Les astéroïdes sont des planétésimaux rocheux qui n'ont pas réussi à former des planètes et ont subi une évolution par collisions. La majorité des astéroïdes se trouve dans la "ceinture principale". L'étude des astéroïdes est cruciale pour comprendre la formation, l'évolution et l'origine de la vie dans notre système solaire et dans les systèmes exoplanétaires. Après la dissipation du gaz du disque protoplanétaire et les instabilités des planètes géantes qui ont suivi, les astéroïdes de la ceinture principale (MBAs) se sont stabilisés à leur emplacement actuel. Une petite fraction des MBAs est continuellement envoyée vers les orbites proches de la Terre, formant une population appelée astéroïdes géocroiseurs (NEAs), qui attire beaucoup d'attention en raison de leur histoire passée et de la menace future qu'ils représentent pour notre planète. Les principaux mécanismes dynamiques qui façonnent la ceinture d'astéroïdes moderne et l'acheminement vers l'espace proche de la Terre incluent les collisions, les interactions planétaires et les effets thermiques, notamment les effets Yarkovsky et YORP. Ces effets thermiques sont le sujet principal de cette thèse. L'effet Yarkovsky est la force radiative produite par le rayonnement thermique du côté après-midi d'un objet en rotation autour du Soleil. Cet effet sur un objet unique a été bien décrit mathématiquement à la fin du siècle dernier. Cependant, son rôle dans un système d'astéroïdes binaires n'était pas entièrement compris et souvent négligé. Je développe un cadre théorique de base pour l'effet "Yarkovsky binaire". Le principe de l'effet Yarkovsky binaire est de migrer les composants primaires et secondaires vers une orbite synchrone où la période de rotation égale la période orbitale mutuelle. Nous proposons que l'effet Yarkovsky binaire sur l'astéroïde secondaire (BYS) est le principal mécanisme de synchronisation des astéroïdes secondaires, et que l'effet Yarkovsky binaire sur l'astéroïde primaire (BYP) continue de réduire les orbites de la plupart des astéroïdes binaires découverts. Les futures études sur l'évolution à long terme des systèmes binaires devraient prendre en compte le BYP et le BYS. L'effet YORP est un couple radiatif produit par le rayonnement thermique provenant de la surface irrégulière des astéroïdes. Il régit l'évolution rotationnelle des petits astéroïdes. Des relevés photométriques récents issus de la mission Gaia, ont découvert un excès de rotateurs lents et un écart les séparant des rotateurs plus rapides, un phénomène inexpliqué par les théories actuelles. J'ai développé un modèle d'évolution rotationnelle des astéroïdes capable de reproduire cette distribution observée, prenant en compte l'effet YORP, les collisions et les effets d'amortissement par friction interne. Le modèle suggère que cette distribution est régulée par la compétition entre les collisions et l'amortissement interne des "tumblers" - des astéroïdes avec des vecteurs de rotation instables - et que le groupe de rotateurs lents est principalement constitué de tumblers. Nous contraignons le produit de la rigidité et du facteur de qualité, qui est lié à la viscosité du corps, à 10^9 Pa. Ce nombre, deux ordres de grandeur inférieur à celui supposé pour des blocs monolithiques, implique que les astéroïdes en amas de débris pourraient subir des effets de marée plus forts que ce que l'on pensait en raison de leur structure poreuse et de leur couche de régolithe. Un autre mystère de l'effet YORP réside dans sa sensibilité aux structures de surface telles que les cratères d'impact. Le couple YORP d'un astéroïde change fréquemment en raison des collisions, rendant difficile l'étude de son évolution rotationnelle à long terme. Pour tenter de résoudre ce problème, j'ai développé des solutions analytiques, vérifiées par des solutions numériques, pour les couples YORP induits par les cratères, qui seront utilisés pour étudier le comportement aléatoire de la rotation des astéroïdes à l'avenir.
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Origine Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-04902667 , version 1 (21-01-2025)

Identifiants

  • HAL Id : tel-04902667 , version 1

Citer

Wen-Han Zhou. Influence of thermal forces on asteroids populations. Astrophysics [astro-ph]. Université Côte d'Azur, 2024. English. ⟨NNT : 2024COAZ5074⟩. ⟨tel-04902667⟩
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