Post-impact dynamics of the Didymos system with a heterogeneous internal structure

NASA’s Double Asteroid Redirection Test (DART) mission is the first demonstrator of the kinetic impactor technique, used for planetary defense against possible future threats arising from small hazardous bodies. On September 26, 2022, DART intercepted Dimorphos, the secondary of the binary asteroid system 65803 Didymos, at a velocity of 6.1 km/s causing a change in its mutual orbit period of ∼ 33 minutes. This thesis studies the post-impact dynamics of the binary asteroid system, considering a primary body with a heterogeneous density distribution. The method presented involves adding a two-layered primary structure to the existing GUBAS open code, which is widely used in the study of the post-impact dynamics of the Didymos system. The presence of a heterogeneous density distribution on the primary can change the post-impact dynamics of the system, which have been studied in terms of the libration of the secondary. The difference in libration between the two-layered and homogeneous cases depends on the size, density, and offset of the core. Moreover, if the pre-impact state is non-relaxed, the post-impact attitude can become unstable, and the difference in libration is chaotic. The findings of this thesis could be tested by ESA’s Hera mission, which will arrive at the system in 2026 to characterize the post-impact dynamics. If, upon arrival, Hera can measure the libration of the secondary, it would be possible to infer the properties of the system, including the internal structure of Didymos.

La missione DART della NASA è la prima dimostrazione della tecnica di impatto cinetico, utilizzata nell’ambito di difesa planetaria contro possibili future minacce provenienti da asteroidi potenzialmente pericolosi. Il 26 settembre 2022, DART ha intercettato Dimorphos, il secondario del sistema binario 65803 Didymos, a una velocità di 6,1 km/s, causando una variazione del suo periodo orbitale di circa 33 minuti. Questo lavoro di tesi studia la dinamica post-impatto del sistema binario, considerando una distribuzione di densità eterogenea all’interno del sistema. Il metodo presentato prevede l’aggiunta di una struttura a due strati per Didymos al codice open source GUBAS già esistente, e ampiamente utilizzato nello studio della dinamica post-impatto del sistema Didymos. La presenza di una distribuzione di densità eterogenea sul primario può modificare la dinamica post-impatto del sistema, che è stata studiata in termini di librazione del secondario. La differenza di librazione tra i casi a due strati e omogeneo dipende dalla dimensione, dalla densità e dalla posizione dello strato interno rispetto al centro dell’asteroide. Inoltre, se lo stato pre-impatto non si trova in condizioni dinamiche di equilibrio, il moto rotatorio post-impatto può diventare instabile e la differenza di librazione caotica. I risultati di questa tesi saranno testati dalla missione Hera dell’ESA, che arriverà nel sistema nel 2026 per caratterizzare la dinamica post-impatto. Se, all’arrivo, Hera potrà misurare la librazione del corpo secondario, sarà possibile stimare le proprietà del sistema, e trarre preziose indicazioni sulla struttura interna di Didymos.