De la topographie locale à la morphologie globale : origines et conséquences sur l'activité des noyaux cométaires

From local topography to global morphology : origins and consequences on the activity of comets

• Auteur / Autrice : Selma Benseguane
• Direction : Aurélie Guilbert-Lepoutre, Jérémie Lasue
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Astrophysique
• Date : Soutenance le 25/09/2023
• Etablissement(s) : Lyon 1
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de Physique et d’Astrophysique (Lyon)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de géologie de Lyon : Terre, planètes et environnement (Lyon ; 2011-....)
• Jury : Président / Présidente : Cathy Quantin-Nataf
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Aurélie Guilbert-Lepoutre, Jérémie Lasue, Sonia Fornasier, Jean-Baptiste Vincent, Olivier Groussin
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Sonia Fornasier, Jean-Baptiste Vincent

Mots clés

Mots clés contrôlés

Recherche

Effets de l'activité solaire

Astrophysique

Érosion

Comètes

Mots clés libres

Forme complexe

Évolution thermique

Pits

Modèle de forme

Érosion

Activité globale

Complex shape

Thermal evolution

Pits

Shape model

Erosion

Global activity

Résumé

Les noyaux cométaires manifestent une complexité considérable, tant à l’échelle locale que globale. Des dépressions circulaires, appelées “pits”, ont été observées sur toutes les Comètes de la Famille de Jupiter visitées, suscitant un intérêt pour leur formation et évolution induites par l’activité générée par des processus thermiques et l’érosion dans les conditions actuelles d’illumination. De plus, l’irrégularité globale de ces noyaux nous a conduit à examiner son impact potentiel sur l’activité cométaire globale et l’importance des données de forme du noyau pour une meilleure compréhension des courbes d’activité observées depuis la Terre. Pour répondre à ces questions, nous avons modélisé l’activité thermique, à la fois au niveau des structures topographiques locales ou des pits, et au niveau du noyau entier – en fonction de l’objectif de chaque étude – en tenant compte du modèle de forme complexe et des conditions d’illumination de la surface qui y sont associées. Pour chaque facette du modèle de forme local ou global, nous calculons l’énergie solaire, y compris les effets de shadowing et de self-heating, que nous incluons comme condition de surface d’un modèle d’évolution thermique. Ce modèle génère à son tour des résultats d’activité, tels que les taux de production de gaz ou de poussière et l’érosion locale. Nous avons étudié les pits présents à la surface de 67P/C-G, 9P/Tempel 1, 81P/Wild 2 et 103P/Hartley 2, pour lesquelles nous disposons de modèles de forme 3D à haute résolution. Nous avons effectué des simulations sur une période correspondant à la durée que chaque comète a passée sur son orbite actuelle dans le Système Solaire interne (par exemple, 10 orbites pour 67P). Nous avons trouvé que l’érosion des pits atteinte après toutes les révolutions orbitales ne peut pas expliquer de manière adéquate la morphologie actuelle de ces pits. Ceci est vrai à la fois en termes de quantité de matière érodée et de tendance d’évolution de la forme résultant d’un tel processus. Il est donc peu probable que les pits soient formés par une érosion graduelle. Pour notre étude de l’activité globale, nous nous sommes concentrés sur les comètes 67P, 9P et 103P. Ces comètes ont des modèles de forme 3D et des taux de production observés qui couvrent suffisamment la période autour du périhélie. En utilisant ces données, nous avons pu comparer les taux de production d’eau observés et simulés. Nos simulations ont incorporé à la fois des modèles de forme à faible résolution, qui conservent tout de même la forme globale du noyau, et des modèles sphériques avec des surfaces équivalentes. Nous avons également ajusté divers paramètres structurels et thermiques initiaux. Notre étude a montré que pour comprendre l’activité séculaire des comètes, il est nécessaire de prendre en compte les hétérogénéités thermiques ou mécaniques autant que la forme, voire davantage. Les observations au sol ne peuvent à elles seules lever l’ambiguïté entre ces caractéristiques, ce qui justifie l’utilisation d’une approximation sphérique du noyau pour une première compréhension de l’activité des comètes.

Cometary nuclei exhibit considerable complexity on both local and global scales. Circular depressions, or ’pits,’ have been observed on all Jupiter Family Comets visited by space-crafts, sparking interest in their formation and evolution via thermally-driven activity and erosion under present illumination conditions. Moreover, the global irregularity of these nuclei has led us to examine their potential impact on overall comet activity and the importance of shape data for precisely fitting ground-based activity curves. To investigate these questions, we have modeled the thermally-driven activity, both on the level of local topographic features or pits, and the whole nucleus – depending on the focus of each study – taking into account the intricate shape model and the surface illumination conditions associated with it. For each facet of the local or global shape model, we compute the solar energy, including shadowing and self-heating effects, that we include as a surface condition of a thermal evolution model. This model, in turn, generates activity outputs, such as gas or dust production rates and local erosion. We studied the pits present on the surface of 67P/C-G, 9P/Tempel 1, 81P/Wild 2 and 103P/Hartley 2, for which we have high resolution 3D shape models. We ran simulations over a time frame corresponding to the duration each comet has spent in its current inner Solar System orbit (e.g., 10 orbits for 67P). We found that erosion of pits achieved af-ter all the orbital revolutions cannot adequately explain the current morphology of these pits. This holds true both in terms of the quantity of material eroded and the pattern of shape evolution resulting from such a process. Therefore, pits are unlikely to be formed by gradual erosion. For our study of the global activity, our focus was on comets 67P, 9P, and 103P. These comets have 3D shape models and sufficient observed production rates covering the per-ihelion period. By using these data, we were able to compare observed and simulated water production rates. Our simulations incorporated both low-resolution shape models that maintain the overall comet shape and spherical models with equivalent surface areas. We also adjusted for various initial structural and thermal parameters. Our study found that understanding secular comet activity requires considering thermal or mechanical het-erogeneities as much as shape or more. Ground-based observations alone cannot clear up the ambiguity among these characteristics, thereby justifying a spherical approximation for initial understanding of comet activity.