Taxonomie des astéroïdes : une synthèse probabiliste de la spectrométrie et de l'albédo à partir d'observations complètes et partielles

Asteroid taxonomy : a probabilistic synthesis of spectrometry and albedo from complete and partial observations

• Auteur / Autrice : Max Mahlke
• Direction : Benoît Carry
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de la planète et de l'univers
• Date : Soutenance le 14/09/2022
• Etablissement(s) : Université Côte d'Azur
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences fondamentales et appliquées (Nice ; 2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Joseph-Louis Lagrange (Nice, Alpes-Maritimes ; 2012-....)
• Jury : Président / Présidente : Guy Libourel
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Benoît Carry, Guy Libourel, Maria Cristina De Sanctis, Pierre Vernazza, Cateline Lantz, Cristina Thomas, Philippe Rousselot, Patrick Michel
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Maria Cristina De Sanctis, Pierre Vernazza

Mots clés

Mots clés contrôlés

Spectroscopie astronomique

Composition chimique

Classification

Astéroïdes

Mots clés libres

Astéroides

Taxonomie

Petits corps

Asteroids

Taxonomy

Minor bodies

Résumé

Les petits corps du système solaire sont les témoins de l'histoire de sa formation. La diversité de leur composition est représentative de la matière présente initialement dans le disque protoplanétaire, altérée par des centaines de millions d'années d'évolution collisionnelle, de métamorphisme thermique, d' altération aqueuse et d' irradiation par l'environnement spatial. L'histoire du système solaire est donc fossilisée dans les petits corps, et l'étude de leurs propriétés d'ensemble permet de mieux comprendre les processus à grande échelle qui ont façonné notre système planétaire. Les astéroïdes, petits corps entre le Soleil et Jupiter, sont les résidus de planétésimaux qui se sont formés dans le système solaire interne ou y ont été implanté depuis la région externe via des processus dynamiques.La taxonomie des astéroïdes est l'outil utilisé pour décrire les différents groupes de composition et les tendances observées dans la population d'astéroïdes. Dans ce travail, je présente une nouvelle itération de la taxonomie des astéroïdes. En faisant progresser la méthode établie à l'aide d'une approche d'apprentissage automatique non supervisée, j'ai mis en œuvre trois améliorations clés par rapport à la méthode existante. Tout d'abord, la classification peut être appliquée aux observations de spectres de réflectance dans les longueurs d'onde visibles, proche infrarouge ou à la fois visibles et proche infrarouge, fournissant des classes taxonomiques cohérentes dans les trois cas. Ensuite, l'affectation des classes repose sur une méthode probabiliste plutôt qu'absolue, ce qui permet d'affiner la sélection des populations en se basant sur la probabilité que chaque population appartienne à une classe donnée . Enfin, l'albédo visuel est réintroduit en tant qu'observable dans cette classification, résolvant la dégénérescence spectrale et l'ambiguïté autour de la minéralogie des astéroïdes présentant des spectres de réflectance sans bandes caractéristiques.La méthode est appliquée dans le cadre de la plus grande étude de composition des astéroïdes à ce jour, basée sur les spectres de réflectance et l'albédo visuel de 5906 observations d'astéroïdes. 2983 observations sont utilisées pour définir les classes de la taxonomie. La nouvelle taxonomie combine les systèmes précédemment établis de Tholen (1984), Bus et Binzel (2002) et DeMeo et al. (2009); avec les observations et études minéralogiques de la population d'astéroïdes effectuées au cours des dernières décennies. Le cœur de la taxonomie est composé de trois complexes, les complexes d'astéroïdes carbonés C et silicatés S bien établis,ainsi que le nouveau complexe M, qui héberge une variété d'astéroïdes métallo-silicatés et qui remplace le complexe X. Une nouvelle classe Z est introduite pour caractériser les astéroïdes extrêmement rouges dispersés au sein de la ceinture principale.La taxonomie est appliquée dans le cadre de l'appariement des spectres d'astéroïdes avec ceux de météorites, tout en tenant compte des propriétés inconnues des surfaces planétaires. La connexion entre les chondrites CV/CO et les astéroïdes de type K et L est étudiée ainsi que le lien entre les chondrites ordinaires équilibrées ou non et les astéroïdes de type S. Je présente en outre deux outils d'analyse des données d'astéroïdes que j'ai développés. Rocks simplifie l'exploration et l'acquisition de paramètres d'astéroïdes, tandis que classy permet la classification taxonomique des observations d'astéroïdes dans le schéma taxonomique présenté ici.

The minor bodies of the Solar System are witnesses of the formation history of our Solar System. Their compositional diversity represents the material present in the protoplanetary disk altered through hundreds of millions of years of collisional evolution, thermal metamorphism,aqueous alteration, and irradiation from the space environment. The history of the Solar System is therefore fossilised in the minor bodie sand the study of their ensemble properties provides insights into large-scale processes that shaped our planetary system. Asteroids, the minor bodies between the Sun and Jupiter, are the remnants of planetesimals which either formed in the inner Solar System or were implanted into it from the outer region via dynamical processes.The asteroid taxonomy is a language used to describe the compositional groups and trends observed among the asteroid population. In this work, I present a new iteration of the asteroid taxonomy. By advancing the established method with an unsupervised machine learning approach, Iimplement three key improvements over the previous method. First, the classification can be applied to observations of visible-, near-infrared, or visible-near-infrared reflectance spectra, providing consistent taxonomic classes in all three cases. Second, the class assignments are probabilistic rather than absolute, enabling fine selections of populations based on their probabilities to belong to anyclass. Third, the visual albedo is reintroduced as classification observable, resolving the spectral degeneracy and mineralogical ambiguity of the featureless reflectance spectra. The method is applied in the largest compositional study of asteroids based on reflectance spectra and visual albedo to date with 5906 observations, 2983 of which are used to derive the class scheme of the taxonomy. The new taxonomy combines the previously established frameworks of Tholen (1984), Bus and Binzel (2002) and DeMeo et al. (2009) with the observational and mineralogical insights into the asteroid population over the past decade. The core of the taxonomy are three complexes, the well-established carbonaceous C and silicaceous S complexes as well as the new M complex, which hosts a variety of metallic-silicaceous compositions and replaces the X complex. A new class Z is introduced for extremely-red asteroids which are found throughout the Main Belt. The method is applied to the spectral matching of asteroids and meteorites while accounting for the unknown properties of planetary surfaces. The connection between CV/CO chondrites to K- and L-type asteroids is studied as well as the link between equilibrated and unequilibrated ordinary chondrites and S-types. I further present two tools for analysis of asteroid data I developed. Rocks simplifies the exploration and acquisition of asteroid parameters, while classy enables the taxonomic classification of asteroid observations in the presented taxonomic scheme.