Modeling particle propagation in the didymos binary system for imaging simulation and particle rendering

This thesis explores the dynamics and detectability of particles within the 65803 Didymos binary asteroid system. The Didymos system consists of a primary asteroid (Didymos) and its smaller satellite (Dimorphos), which orbit each other, creating a complex gravitational field that significantly impacts the motion of particles within their vicinity. The ESA’s Hera mission, in conjunction with NASA’s DART impact experiment, forms part of the AIDA collaboration aimed at understanding asteroid deflection as a planetary defense strategy. This work focuses on assessing the Milani CubeSat’s ability to detect particles in this environment, particularly post-impact, providing insights into particle distribution and behavior under various lighting and observational geometries. A particle propagator was developed to model particle motion by incorporating gravitational forces, solar radiation pressure, and minor third-body influences, all set within a quasi-inertial J2000 reference frame. A Monte Carlo analysis was conducted, generating a dataset of particle trajectories and fluxes under diverse initial conditions. This analysis identified good observation windows where low phase angles and favorable distances enhance particle visibility. Phase angle was found to be a critical factor for detectability, as lower angles significantly increase particle brightness and flux when the Lambertian assumption is bypassed. Improving and using a raytracer provided by the DART Lab, high-resolution images were created to simulate Milani’s observational conditions. MATLAB post-processing emulated camera-specific responses, including color channel and flux adjustments, allowing assessment of particle visibility across different scenarios. Findings suggest that particles between 10 cm and 1 mm can be detected with confidence at favorable phase angles, validating Milani’s role in gathering data on particles. This capability supports the mission objectives of Hera, advancing asteroid modeling and enhancing the understanding of post-impact particle interactions around Didymos.

Questa tesi esplora la dinamica e la rilevabilità delle particelle all’interno del sistema binario di asteroidi 65803 Didymos. Il sistema Didymos è composto da un asteroide primario (Didymos) e dal suo satellite più piccolo (Dimorphos), che orbitano l’uno intorno all’altro, creando un campo gravitazionale complesso che influisce significativamente sul moto delle particelle nelle loro vicinanze. La missione Hera dell’ESA, in collaborazione con l’esperimento d’impatto DART della NASA, fa parte della collaborazione AIDA, volta a comprendere la deflessione degli asteroidi come strategia di difesa planetaria. Questo lavoro si concentra sulla valutazione della capacità del CubeSat Milani di rilevare particelle in questo ambiente, in particolare dopo l’impatto, fornendo informazioni sulla distribuzione e sul comportamento delle particelle sotto varie geometrie di illuminazione e osservazione. È stato sviluppato un propagatore di particelle per modellare il moto delle particelle, incorporando forze gravitazionali, pressione di radiazione solare e influenze minori di terzi corpi, il tutto impostato in un sistema di riferimento quasi-inerziale J2000. È stata condotta un’analisi Monte Carlo, generando un dataset di traiettorie e flussi delle particelle con diverse condizioni iniziali. Questa analisi ha identificato finestre di osservazione buone in cui bassi angoli di fase e distanze favorevoli migliorano la visibilità delle particelle. L’angolo di fase è emerso come un fattore critico per la rilevabilità, poiché angoli minori aumentano significativamente la luminosità e il flusso delle particelle quando non si adotta l’assunzione Lambertiana. Migliorando e utilizzando un raytracer fornito dal DART Lab, sono state create immagini ad alta risoluzione per simulare le condizioni osservative di Milani. Il post-processing in MATLAB ha emulato le risposte specifiche della fotocamera, inclusi aggiustamenti in base ai colori e del flusso, permettendo di valutare la visibilità delle particelle in vari scenari. I risultati indicano che particelle tra 10 cm e 1 mm possono essere rilevate in condizioni di angolo di fase favorevole, validando il ruolo di Milani nella raccolta di dati sulle particelle. Questa capacità supporta gli obiettivi di Hera, avanzando la modellizzazione degli asteroidi e migliorando la comprensione delle interazioni delle particelle post-impatto intorno a Didymos.