Ejecta orbital and bouncing dynamics around asteroid Ryugu

The scientific interest towards asteroids has increased in the last few years, leading to several successful missions such as Hayabusa (JAXA), Rosetta (ESA), Hayabusa2 (JAXA) and OSIRIS-REx (NASA). Several efforts have been made to study the environmental condition around asteroids, to characterise the dynamical behaviour of orbits about small bodies. One of the most challenging aspects of such missions is to collect and sample asteroids material by means of an on-ground collection, involving landing (or touch-down) and mining. This thesis analyses the evolution of the dust dynamics around asteroids in the context of the circular restricted three-body problem, perturbed by the solar radiation pressure and the aspherical potential of the asteroid (J2 effect). The aim is to carry out an analysis showing if particles ejected by means of a kinetic impactor can be temporary captured around the asteroid, leading to a potential threat for the spacecraft’s sampling operations. The main goal of this work is to study the dynamics arising from the re-impact and bouncing of particles ejected from the asteroid surface, analysed by considering non-elastic collisions. These collisions can potentially cause a trail of particles, captured for several months; this mechanism could explain the recent discovery of trails, observed for asteroid P/2010 A2. In case these mechanisms are well understood, the asteroid’s impact location can be selected, as a function of the high survival on-orbit probability. Since the dynamics involved is different depending on the particles size, as already showed by past works, the solar radiation pressure acts like a passive in-situ mass spectrometer. Therefore, future missions could consider on-orbit collection as an alternative to landing or touchdown operations. The artificial impact scheduled during the Hayabusa 2 mission makes the asteroid Ryugu the ideal case study; furthermore, the images collected by the on-board DCAM3 camera could shed lights on these complex mechanisms.

L’interesse scientifico nei confronti degli asteroidi è notevolmente cresciuto negli ultimi anni, come testimoniato dalle numerose missioni portate a compimento con successo, come Hayabusa (JAXA), Rosetta (ESA), Hayabusa2 (JAXA) e OSIRIS-Rex (NASA). Molteplici sforzi sono stati compiuti nello studio delle condizioni ambientali intorno agli asteroidi, per caratterizzare le dinamica di orbite intorno a questi piccoli corpi celesti. Uno degli aspetti più impegnativi di tali missioni è quello di raccogliere e campionare il materiale degli asteroidi attraverso un campionamento a terra, che implica l’atterraggio e l’estrazione. Questa tesi analizza l’evoluzione della dinamica della polvere attorno agli asteroidi nel contesto del problema circolare a tre corpi, perturbato dalla pressione di radiazione solare e dall’effetto del potenziale non uniforme dell’asteroide (termine J2). L’obiettivo principale è quello di effettuare un’analisi che mostri se le particelle espulse a seguito di un impatto possono essere temporaneamente catturate intorno all’asteroide, che potrebbe costituire una potenziale minaccia per le operazioni di campionamento della sonda. Lo scopo di questa tesi è studiare le dinamiche delle particelle espulse dall’asteroide, derivanti dal re-impatto e generate dal rimbalzo sulla sua superficie, analizzate considerando collisioni non elastiche. Queste ultime potrebbero causare una scia di particelle, catturate intorno al corpo celeste per diversi mesi; questo meccanismo potrebbe spiegare la recente scoperta di scie osservate per l’asteroide P/2010 A2. Nel caso in cui questi meccanismi siano ben compresi, la posizione di impatto sulla superficie dell’asteroide può essere selezionata, in funzione della probabilità di sopravvivenza in orbita delle particelle. Poiché la dinamica coinvolta è diversa a seconda delle dimensioni delle particelle, come già dimostrato in lavori precedenti, la pressione di radiazione solare agisce come uno spettrometro di massa passivo. Pertanto, le future missioni potrebbero considerare il campionamento in orbita come alternativa all’esigenza di atterrare sulla superficie dell’asteroide. L’impatto artificiale programmato durante la missione Hayabusa2 fa dell’asteroide Ryugu il caso ideale da studiare; inoltre, le immagini raccolte dalla camera a bordo DCAM3 potrebbero far luce su questi meccanismi complessi.