Advancing the study of small solar system bodies through multi-agent mapping and characterization

Abstract

Kosmoses on arvukalt taevakehasid ja need on inimkonda läbi aegade paelunud. Lisaks suurtele taevakehadele, nagu Päike ja planeedid, on Päikesesüsteemis palju asteroide ja komeete. Päikesesüsteemi väikekehad on eriti huvitavad, sest need hoiavad endas vihjeid meie Päikesesüsteemi tekkimise ja ajaloo kohta. Asteroidid on kivised moodustised, mis jäid üle planeetide moodustumisest ja tiirlevad praegu peamiselt asteroidivöös Marsi ja Jupiteri orbiitide vahel. Mõned asteroidid, mida nimetatakse Maa-lähedasteks objektideks, tulevad aga aeg-ajalt Maale palju lähemale. Komeedid on põhiliselt erinevatest jäädest koosnevad kehad, mis pärinevad Päikesesüsteemi külmematest välistest piirkondadest, peamiselt Kuiperi vööst ja Öpiku-Oorti pilvest. Nende kehade uurimine on keeruline nende madala külgetõmbejõu, ebakorrapärase kuju ja keeruka dünaamika tõttu. Käesoleva väitekirja põhiliseks sõnumiks on, et Päikesesüsteemi väikekehade uurimist saab tõhustada mitme uurimisagendi kasutamisega ja see võimaldaks neid paremini kaardistada ja iseloomustada. Väitekirjas tuuakse välja kolm olulisemat uurimistulemust. Esiteks näidatakse, et kosmosesondid suudavad taevakeha ümber orbiidil viibides oma manöövreid järk-järgult sujuvamaks muuta samal ajal taevakeha gravitatsioonivälja mudelit täpsustades. Teiseks tutvustatakse kosmosemissiooni Comet Interceptor, mis kasutab mitme agendiga möödalennumissiooni Päikese poolt veel soojuslikult mõjutamata seni tundmatute omadustega komeedi uurimiseks. Missiooni alternatiivseks võimalikuks sihtmärgiks on tähtedevaheline objekt, kui sobivate parameetritega keha piisavalt kiiresti leida suudetakse. Comet Interceptor uurib sihtmärgi aktiivsust ja loob selle tuuma ja lähikeskkonna 3D-mudeleid, kasutades selleks vaatlusi mitmelt kosmosesondilt. Kolmandaks näitame, et väikekeha jälgimine optimaalsetest ruumilistest asukohtadest tagab 3D kaardistamise vaatepunktist parema katvuse ja see võimaldab luua täpsemaid pinnamudeleid sihtkehast. Neid andmeid saab ka kasutada närvivõrkude abil 3D-pinna rekonstrueerimise täiustamiseks. Uurimistöö panustab ka Comet Interceptor missiooni, mille jaoks Tartu Ülikooli Tartu Observatoorium arendab OPIC-instrumenti, teaduslikesse eesmärkidesse. Üldiselt on väitekirja eesmärgiks toetada väikekehade uurimiseks mõeldud missioonide kavandamist, aidata kaasa planetaarkaitse jõupingutustele ja süvendada arusaamist väikekehade dünaamikast.

The cosmos is filled with numerous celestial bodies that have intrigued humanity for ages. Besides large bodies like the Sun and planets, smaller bodies called asteroids and comets also exist, which have provided clues regarding our solar system’s history and formation. Asteroids are rocky fragments that could not coalesce into planets and primarily orbit in the asteroid belt between orbits of Mars and Jupiter, while some, known as Near-Earth Objects (NEOs), come much closer to Earth. Comets are icy bodies originating from colder outer regions of the solar system, mainly in the Kuiper Belt and Öpik-Oort Cloud. Studying these bodies can be challenging due to their low gravity, irregular shapes, and complex dynamics. Moreover, their study has also revealed the dynamism and chaotic nature of the celestial space. This thesis is based on the ideology that small body study can be advanced using multiple exploring agents, to be able to efficiently map and characterize them. 3 vital studies are presented. First, incrementally smoother in-orbit maneuvers can be performed by the spacecraft while acquiring a fine-grained gravity field model as compared to remote measurements. The approach is akin to multi-point measurements within the body’s orbit. Second, a mission profile defined as Comet Interceptor is studied to elucidate on a multi-agent mission to intercept a comet, whose properties have not yet been altered by our Sun. The mission aims to survey the pristine (potentially interstellar) small body, understand its activities and produce 3D models of its nucleus observed by multiple spacecraft. Third, by observing a small body from optimal spatial locations, higher coverage is ensured which can produce more informed surface models of the target body. This data can be used in neural models to enhance the 3D surface reconstruction. The research contributes to the scientific objectives of the Comet Interceptor mission, for which Tartu Observatory is developing the OPIC instrument. Overall, the thesis aims to support mission designs to explore small bodies, support planetary defense endeavors, and better understand small body dynamics.