Étude spectroscopique de la différentiation des astéroïdes avec Gaia

Asteroid differentiation from Gaia reflectance spectroscopy

• Auteur / Autrice : Marjorie Galinier
• Direction : Marco Delbo, Laurent Galluccio
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de la planète et de l'univers
• Date : Soutenance le 26/09/2024
• Etablissement(s) : Université Côte d'Azur
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences fondamentales et appliquées
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Joseph-Louis Lagrange (Nice, Alpes-Maritimes ; 2012-....)
• Jury : Président / Présidente : Audrey Bouvier
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Marco Delbo, Laurent Galluccio, Audrey Bouvier, Pierre Beck, Sonia Fornasier, Marcel Popescu
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Pierre Beck, Sonia Fornasier

Mots clés

Mots clés contrôlés

GAIA (satellite artificiel)

Spectroscopie

Planètes -- Surfaces

Astéroïdes

Mots clés libres

Astéroïdes

Spectroscopie

Gaia

Asteroids

Spectroscopy

Gaia

Résumé

Les planétésimaux se sont formés par accrétion de poussières dans le disque protoplanétaire du Soleil, et leur agglomération a conduit à la formation des planètes. Les planétésimaux larges et accrêtés tôt se sont partiellement ou complètement différenciés, s'organisant en couches de densités et compositions différentes : noyau métallique, manteau riche en olivine et croûte magmatique. Des traces de ce processus sont observables dans la composition des météorites, et devraient l'être dans celle des astéroïdes.La destruction catastrophique d'un corps différencié produit une famille collisionnelle d'astéroïdes, dont les membres devraient présenter une gamme de compositions reflétant chaque couche du corps d'origine. Aucune famille présentant cette caractéristique n'a été clairement identifiée à ce jour. En outre, des années d'études spectroscopiques ont mis en évidence une déplétion en corps riches en olivine dans la ceinture principale. Avant ces travaux, aucune concentration significative d'astéroïdes riches en olivine n'avait été détectée au sein des familles d'astéroïdes.La spectroscopie permet de caractériser la composition de surface des astéroïdes. La Data Release 3 (DR3) de la mission Gaia de l'ESA a publié plus de 60 000 spectres de réflectance de petits corps, offrant une occasion unique de rechercher des traces de différenciation dans la ceinture principale. En exploitant ces données spectrales et en classifiant les astéroïdes au sein de classes taxonomiques connues, j'ai découvert que la famille (36256) 1999XT17 contient un nombre significatif de membres dont le spectre correspond à celui de l'olivine. Ils pourraient être des fragments d'un corps formé dans le manteau d'un planétésimal différencié, puis implanté dans la ceinture principale a posteriori. Cette famille est la première famille d'astéroïdes potentiellement riche en olivine identifiée.Les météorites présentent une large gamme de compositions, caractéristiques des astéroïdes dont elles proviennent. Certaines sont des produits de la différenciation, comme l'andésite Erg Chech 002 (EC002). Connue comme la ''plus ancienne achondrite du système solaire'', cette météorite s'est vraisemblablement formée dans la croûte partiellement fondue d'un planétésimal différencié. En exploitant les données spectrales de la DR3, j'ai cherché à identifier des analogues potentiels à cette météorite dans la ceinture principale. En utilisant des méthodes de comparaison de spectres, j'ai identifié 142 astéroïdes avec un spectre visible semblable à celui de la météorite. Vingt de ces analogues potentiels ont été observés dans la gamme de longueur d'onde proche infrarouge, et aucun n'a été confirmé. Cependant, l'astéroïde (10537) 1991 RY16, dont le spectre a été publié dans la littérature, semble de composition similaire à celle de la météorite. Ainsi, les astéroïdes présentant des compositions andésitiques pourraient être extrêmement rares.Un aspect important de cette thèse de doctorat a été l'analyse générale des spectres de réflectance des petits corps publiés lors de la DR3. En tant que membre du consortium de production et d'analyse des données (DPAC), j'ai identifié des problèmes potentiels dans les spectres d'astéroïdes et proposé des corrections afin de les améliorer, pour préparer la DR4. J'ai également classifié ces spectres, afin d'évaluer les limites du jeu de données et pour identifier de nouveaux astéroïdes riches en olivine. J'ai découvert 78 astéroïdes potentiellement riches en olivine qui n'avaient encore jamais été caractérisés par spectroscopie, constituant une concentration d'objets riches en olivine dans la ceinture principale cinq fois plus importante que précédemment évalué. Ces études montrent que, bien que les preuves de différenciation semblent rares dans la ceinture principale, l'interprétation des études précédentes devrait être révisée à la lumière de bases de données spectroscopiques telles que celles fournies par la mission Gaia.

Planetesimals are the “building blocks of planets” that formed from dust accretion in the Sun's protoplanetary disk. It is established that the largest and early-formed planetesimals partially or completely differentiated, organizing into layers of distinct densities and compositions: an iron-rich core, an olivine-rich mantle, and an igneous crust. Evidence of differentiation is given by meteorites and should be observable today in the composition of asteroids. The catastrophic disruption of a differentiated body should produce a family of fragments with a range of compositions reflecting each layer of the original body. Evidence of differentiation should therefore be detected in asteroid collision families, but no such family has been clearly identified to date. In addition, extensive spectroscopic studies have highlighted a lack of olivine-rich bodies in the Main Belt, known as the ''missing mantle problem''. Prior to my work, no significant concentration of olivine-rich asteroids had been detected in any asteroid family.Spectroscopy is a powerful tool for probing the surface composition of asteroids. The Data Release 3 (DR3) of ESA's Gaia mission includes over 60,000 reflectance spectra of small bodies and presents a unique opportunity to search for evidence of differentiation in the Main Belt. By exploiting this dataset and classifying asteroids using well known taxonomic schemes, I discovered that the family (36256) 1999 XT17 contains a significant number of asteroids likely to exhibit olivine-rich compositions. This is the first family of potentially olivine-rich asteroids ever identified. It could result from the breakup of an olivine-rich parent body, that could have formed in the mantle of a differentiated planetesimal. This planetesimal could have been catastrophically disrupted in another region of the Solar System, and one of its fragments - the parent body of the family - could have been implanted into the Main Belt.Meteorites display a wide range of compositions, characteristic of the asteroid from which they derive. Establishing a link between these objects and asteroids provides a better understanding of their formation and evolutionary processes. Some meteorites are products of differentiation, such as the andesite Erg Chech 002 (EC002), understood to have formed in the partially molten crust of a differentiated planetesimal and known as the “oldest achondrite of the Solar System”.I searched for potential spectral analogues of this meteorite in the Main Belt, exploiting the Gaia DR3 dataset. Using spectral parameter comparisons and a curve-matching method, I identified 142 asteroids with Gaia DR3 visible spectra potentially alike those of the meteorite. Twenty of these potential analogues were observed in the near-infrared wavelength range, but none presented an EC002-like spectrum. Studying literature spectra, asteroid (10537) 1991 RY16 appears a possible compositional match to this meteorite. Overall, asteroids presenting andesitic compositions might be extremely rare.An important aspect of this PhD thesis work was devoted to the general analysis of the Gaia DR3 reflectance spectra of small bodies, as I am a member of the Data Production and Analysis Consortium. I identified potential issues in the spectra and proposed corrections to improve them, to prepare for the DR4. Additionally, I worked on a classification of Gaia DR3 reflectance spectra both to assess the limitations of this dataset, and to look for olivine-rich asteroids in the Main Belt. I discovered 78 potentially olivine-rich asteroids never characterized with spectroscopy before, and a concentration of olivine-rich objects in the belt five times larger than previously assessed. These studies lead to the conclusion that, although evidence of differentiation appears rare in the Main Belt, the interpretation of previous studies should be revised in the light of large-scale spectroscopic surveys such as Gaia.