Asteroid ejecta capture around binary systems : application to the DART mission

Investigation of the post-impact fate of the ejecta clouds generated by the impact on as- teroids is a crucial element to plan kinetic impactor missions and understanding planetary formation mechanisms. In particular, the Asteroid Impact and Deflection Assessment (AIDA) mission is a joint effort between ESA and NASA to the near-Earth binary asteroid (65803) Didymos, whose objective is to impact a first spacecraft (DART) on the smaller body of the binary in the October 2022 and, with the following HERA mission in 2027, assessing the deflection as a consequence of the kinetic impact. The mission is intended to offer insights into the Solar System formation and into the deflection techniques to be employed to protect the Earth from Potentially Hazardous Asteroids. The purpose of this thesis is to assess the fate of the ejecta cloud around the binary system due to the impact of DART, by investigating the energy level of the particles involved. As the dynamics around asteroids is well known to be challenging due to the gravity field generated by their irregular mass distribution, in this work are discussed different rep- resentation of the gravity field, and the most suitable are selected to correctly simulate the forces environment. Also, the Scaling Laws model used for the ejecta initialization is presented and discussed. The energy level study is conducted in the context of the Augmented Hill Problem, a par- ticular three-body problem that considers a very small secondary and the Solar Radiation Pressure effect on the motion. Such a model is extensively characterized in this work for the Didymos system. A set of particles with different diameters is generated, constraining their velocity accord- ing to the Scaling Laws, such to focus on particles that are less likely to escape right after the impact. After propagating the particles for 6 hours, their energy level is compared with the one associated with the equilibrium point L2 of the Augmented Hill Problem, with the purpose of investigating the particles’ fate

Effettuare indagini riguardo l’evoluzione delle nubi di particelle create a valle di un impatto con asteroidi è un elemento cruciale per pianificare missioni che prevedono l’impatto di una sonda con un corpo celeste e per comprendere i meccanismi di formazione planetaria. In particolare, la missione Asteroid Impact and Deflection Assessment (AIDA) è una mis- sione congiunta ESA/NASA diretta verso l’asteroide binario vicino alla Terra (65803) Didymos, il cui obiettivo è quello di impattare un veicolo spaziale (DART) sul corpo più piccolo del sistema binario nell’Ottobre del 2022 ed, in seguito, con la missione HERA pianificata per il 2027, valutare la variazione orbitale subita dal corpo. La missione AIDA si propone di investigare riguardo la formazione del Sistema Solare e le tecniche da imp- iegare per proteggere la Terra da asteroidi potenzialmente pericolosi. Scopo di questa tesi è valutare l’evoluzione della nube di ejecta nei pressi del sistema bina- rio causata dall’impatto di DART, studiando il livello di energia delle particelle coinvolte. Essendo nota la complessità della dinamica in prossimità di asteroidi a causa del campo gravitazionale generato dalla loro irregolare distribuzione di massa, in questo lavoro ven- gono discussi i problemi relativi alla diversa rappresentazione del campo gravitazionale, selezionando i modelli più adatti a simulare correttamente le forze coivolte. Inoltre, viene presentato e discusso il modello delle “Scaling Laws” utilizzato per l’inizializzazione delle particelle. Lo studio del livello energetico viene condotto nel contesto dell’Augmented Hill Problem, un particolare problema ai tre corpi che considera un corpo secondario molto piccolo e l’effetto della Pressione di Radiazione Solare sul moto. Tale modello è qui ampiamente caratterizzato per il sistema Didymos. In questo studio è generato un insieme di particelle con diametri differenti, vincolandone la velocità secondo le già menzionate Scaling Laws, così da investigare particelle che hanno meno probabilità di sfuggire la gravità del sistema binario appena dopo l’impatto. Dopo aver propagato le particelle per 6 ore, il loro livello di energia è confrontato con quello associato al punto di equilibrio L2 nel problema di Hill, allo scopo di indagare la loro evoluzione nel tempo.