Propriétés de surface et structure interne des objets Trans-Neptuniens et des Centaures : un nouveau modèle d'évolution thermique 3D

Surface properties and internal structure of Trans-Neptunian Objects and Centaurs : A new 3D thermal evolution model

• Auteur / Autrice : Aurélie Guilbert-Lepoutre
• Direction : Maria Antonietta Barucci, Angioletta Coradini
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Astronomie et astrophysique
• Date : Soutenance en 2009
• Etablissement(s) : Paris 7

Mots clés

Mots clés contrôlés

Planétologie

Spectroscopie astronomique

Photométrie astronomique

Kuiper, Ceinture de

Résumé

Les Objets Trans-Neptuniens et les Centaures constituent l'essentiel des petits corps glaces du Système Solaire. Cette population rassemble de nombreux objets dont les propriétés dynamiques, physiques et chimiques sont extrêmement variées. L'observation de ces objets a longtemps été un défi technique, si bien que leur étude est un domaine de recherche en constante évolution. Les OTNs et les Centaures seraient constitues de diverses glaces. Afin de contraindre la composition a la surface d'un échantillon significatif d'objets, un Large Program ESO a été entrepris au tout début de cette thèse. J'ai en particulier travaille sur les spectres H+K obtenus avec l'instrument SINFONI. J'ai pu mettre en place une technique d'observation et de réduction de données optimisée et performante, dont chaque étape a été largement éprouvée. Chaque spectre a été analyse individuellement, afin de déterminer les composes présents a la surface des objets par le biais d'un modèle de transfert radiatif: des composes comme la glace d'eau ou d'autres volatils ont ainsi pu être détectes. L'observation de certains composes volatils a la surface des OTNs soulevé des questions quant a la possible activité interne de ces objets. J'ai donc développe un nouveau modèle d'évolution thermique tri-dimensionnel, dont la solution mathématique permet de limiter le temps de calcul. Ce modèle permet ainsi de tenir compte des flux de chaleur latéraux et des conditions aux limites 3D, tout en étant performant d'un point de vue temps de calcul. L'influence des paramètres les plus critiques a été testée: temps de formation des objets, conductivite thermique du matériau, etc. Les résultats obtenus fournissent de nouvelles pistes d'interprétation pour les observations d'OTNs et de Centaures. Enfin, j'ai pu réaliser un portrait du Centaure 10199 Chariklo: les données obtenues dans le cadre du Large Program montrent en effet d'importantes variations par rapport aux spectres publies dans la littérature. Plusieurs hypothèses sont envisageables pour expliquer ces changements: variations spatiales, variations temporelles, ou encore sursauts d'activité cometaire. Les données observationneîles seules ne permettent pas de discrimer entre ces différentes explications. L'application du modèle d'évolution thermique 3D permet en revanche d'identifier les hypothèses les plus probables et d'éliminer ainsi l'hypothèse d'activité cometaire qui n'est pas attendue pour cet objet.

Small Icy bodies of the Solar System are mainly constituted by Transneptunian Objects and Centaurs. These two populations are composed of numerous bodies, whose dynamical, physical and chemical properties can be very different. Their observations have remained challenging until recently. Thus, the study of the Transneptunian région is a research field in rapid and constant evolution. TNOs and Centaurs should be composed of varions ices. At the very beginning of this thesis, an ESO Large Program has been undertaken, in order to constrain thé surface composition of a significant sample of bodies. I was in charge of the H+K spectra obtained with the new instrument SINFONI. I therefore had to establish an optimized observation technique and a performant data reduction procedure, for which each step has been widely tested. Each spectrum has been analyzed individually, and a radiative transfer model has been applied to determine the surface composition of each object. Absorption bands attributed to water ice and other volatil ices have been detected. The presence of some volatil ices on these objects' surfaces raises questions about the possible internal activity they can undergo. I consequently developed a three-dimensional thermal model, using a mathematical solution limiting the computation time. This new internal evolution model allows to compute lateral beat fluxes and 3D boundary conditions, without any excessive computation time. I tested the influence of the most critical parameters such as the formation time of the objects, the matrix thermal conductivity, etc. The main results throw new leads for the observations interpretation. Finally, I managed to draw a portrait of Centaur 10199 Chariklo: the data obtained in the framework of the Large Program show indeed important variations compared to the previously published ones. Several hypothesis are considered to explain these changes: spatial variations, temporal variations, or cometary outbursts. Observational data alone do not allow to discard any of those three explanations. I therefore applied the 3D thermal model which allows to exclude some temporal variations.