Hydrogen Abundance Estimation on asteroids (101955) Bennu and (162173) Ryugu, targets of the OSIRIS-REx and Hayabusa2 missions, using spectral data analysis
Estimation de l’abondance en hydrogène des astéroïdes (101955) Bennu et (162173) Ryugu, cibles des missions OSIRIS-REx et Hayabusa2, par l’analyse des données spectrales
Résumé
In the last decades, several space missions were dedicated to the study of asteroids to investigate the building blocks of our Solar System. Two asteroid sample return missions are currently ongoing, the NASA mission OSIRIS-REx (Origins, Spectral Interpretation, Resource Identification, and Security–Regolith Explorer) and the JAXA mission Hayabusa2. Both missions targeted a primitive (low-albedo) near-Earth asteroid: the B-type asteroid (101955) Bennu and C-type asteroid (162173) Ryugu, respectively. Hayabusa2 delivered to Earth 5.4 g of regolith sampled from Ryugu’s surface on December 5th 2020 (Japan time) while the OSIRIS-REx sample from Bennu’s surface (about 400g collected estimated) is scheduled to land on Earth on September 24th 2023.Trough the detailed global and local study of the two primitive asteroids, both missions aim to better characterize the early Solar System environment, alongside the transfer and mixing processes in the protoplanetary disk with a focus in water (hydrated minerals) and organic matter which asteroids are believed to be a major source to early Earth. Both missions acquired a vast quantity of data during asteroid proximity operations, in particular, the visible and near-infrared spectrometers, OVIRS (OSIRIS-REx Visible and InfraRed Spectrometer) as well as NIRS3 (Near-InfraRed Spectrometer), which revealed the presence of hydrated phyllosilicates across the surface of both asteroids.During my thesis, I had the chance to participate and contribute to these two NASA and JAXA space missions. In particular, I analyzed the spatially resolved visible–near-infrared spectra of Bennu and Ryugu, with a focus on the hydrated phyllosilicate absorption band centered at 2.74 μm and 2.72 μm respectively. My goal is to investigate the hydrogen content of the water (H2O) and hydroxyl (OH−) groups in hydrated phyllosilicates (i.e. H content) on the surface of both asteroids.I applied different methods, namely the normalized optical path length (NOPL) and the effective single-particle absorption thickness (ESPAT) to the hydrated phyllosilicate absorption band of both asteroids, as well as Gaussian modeling of the absorption band in the case of Bennu. I compared the obtained spectral parameters with those obtained (with the same methods) on carbonaceous chondrite meteorites whose H content was determined in laboratory. From the comparison, I derived a correlation between the selected meteorite H contents and their respective ESPAT and NOPL parameters and thus quantified the average value of the H content of the two asteroids’ surface with its relative variations.The estimation of the global average H contents of Bennu and Ryugu is in agreement with those of several aqueously altered carbonaceous chondrite meteorites measured in laboratory and is most similar to heated CMs’ H contents and also C2 Tagish Lake’s in Bennu’s case. The obtained results and the study of phyllosilicate H2O and OH− group hydrogen content on a larger number of objects, will allow the better understanding of the formation and evolution of the Solar System. The exponential function correlation I defined could be applied to other observed primitive asteroids that exhibit a 3-μm region absorption band in order to estimate their average H content.Finally, the laboratory analysis of the returned samples from both missions will validate the described methods and hydration quantification results with higher precision. The quantification of the asteroids’ hydration is essential to constrain Solar System formation and evolution models as well as providing insight on the origin of Life on Earth.
Durant ces dernières dizaines d’années, plusieurs missions spatiales ont étudié des astéroïdes, éléments fondamentaux de notre Système Solaire. Deux missions de retour d’échantillons d’astéroïdes sont en cours, les missions OSIRIS-REx (Origins, Spectral Interpretation, Resource Identification, and Security–Regolith Explorer) (NASA) et Hayabusa2 (JAXA). Ces deux missions ont pour cibles des astéroïdes géocroiseurs primitifs (de faible albédo) : (101955) Bennu de type spectral B et (162173) Ryugu de type spectral C, respectivement. Hayabusa2 a délivré 5,4 g d’échantillons de la surface de Ryugu sur Terre le 5 Décembre 2020 (heure du Japon), tandis que les échantillons (d’environ 400 g) de la surface de Bennu collectés par OSIRIS-REx devraient d’atterrir sur Terre le 24 Septembre 2023. Grâce à l’étude détaillée de ces astéroïdes primitifs à l’échelle globale et régionale, ces deux missions spatiales ont pour but d’améliorer notre compréhension des premières étapes de la formation de notre Système Solaire, ainsi que les phénomènes de transport et de mélange de matière dans le disque protoplanétaire, tout particulièrement le transport de l’eau (minéraux hydratés) et des organiques que les astéroïdes ont pu apporter sur la Terre primitive. Parmi la vaste quantité de données collectées lors des phases d’orbite autour des l’astéroïdes, les spectres visible à proche infrarouge des spectromètres OVIRS (OSIRIS-REx Visible and InfraRed Spectrometer) et NIRS3 (Near Infrared Spectrometer) ont révélé l’omniprésence de phyllosilicates hydratés à la surface des astéroïdes. Au cours de ma thèse, j’ai eu la chance de participer et contribuer à ces deux missions spatiales. J’ai analysé les spectres spatialement résolus dans le visible à proche infrarouge des surfaces de Bennu et Ryugu et en particulier la bande d’absorption causée par les phyllosilicates hydratés, centrée autour de 2.74 μm et 2.72 μm respectivement. Mon but est d’estimer le conte nu en hydrogène des groupements eau (H2O) et hydroxyle (OH−) des phyllosilicates hydratés (ci-après dénommé contenu en H) à la surface de chacun des astéroïdes. J’ai utilisé plusieurs méthodes : NOPL (normalized optical path length) et ESPAT (effective single-particle absorption thickness), calculées sur la bande d’absorption des phyllosilicates hydratés des deux astéroïdes, ainsi que la modélisation par des fonctions gaussiennes de cette bande dans le cas de Bennu. J’ai comparé les valeurs des paramètres spectraux obtenus pour les astéroïdes avec ceux obtenus pour des météorites chondrites carbonées, dont le contenu en H a été mesuré indépendamment en laboratoire. Par ces comparaisons, j’ai obtenu une corrélation entre le contenu en H des météorites sélectionnées et leurs paramètres ESPAT et NOPL respectifs. J’ai ainsi pu estimer la valeur moyenne du contenu en H de la surface des deux astéroïdes ainsi que ses variations relatives.L’estimation de la valeur globale moyenne du contenu en H de Bennu et Ryugu est en accord avec celle de plusieurs chondrites carbonées ayant subies de l’altération aqueuse, en particulier les CMs thermiquement altérées et les C2 Tagish Lake dans le cas de Bennu. Les résultats obtenus ainsi que l’étude du contenu en H d’un plus grand nombre d’objets permettront une meilleure compréhension de la formation et évolution du Système Solaire. La fonction de corrélation exponentielle que j’ai définie, peut être appliquée à d’autres astéroïdes primitifs possédant une bande d’absorption des phyllosilicates hydratés proche de 3 μm, pour estimer leur contenu en H. Enfin, l’analyse en laboratoire des échantillons rapportés par les deux missions validera avec une plus grande précision, les méthodes décrites et la quantification de l’hydratation des deux astéroïdes. Celle-ci est nécessaire pour donner des contraintes aux modèles de formation et d’évolution du Système Solaire ainsi que sur les origines de la Vie sur Terre.
Origine : Version validée par le jury (STAR)