Rotational state of main belt asteroids that belong to old collisional families

Abstract

A small percentage (~25%) of discovered asteroids has been associated with more than 100 known asteroid families, generated from the fragmentation of a common parent body. The determination of which asteroids of the remaining population are members of undiscovered families would constrain the original planetesimal population. Such a classification of the asteroids seems to be the key for the understanding of the dynamical and the collisional evolution of the asteroid population and the correlation between of them. Asteroid families are typically identified through clustering methods based on orbital elements. However, alternative methods, such as the V-shape method, which analyses correlations between asteroid fragment sizes and their distance from the family centre, have proven effective in identifying very old and diffuse families. This PhD thesis focuses on the study of the spin states of asteroids in the inner main belt, that they belong to ancient collisional families identified by V-shape method. Namely, three families were studied: a low-albedo primordial family, and the Athor and Zita families. The low-albedo primordial family is characterised by featureless spectra, where only the inward side of the family is identified so far. The age of this family is estimated to be about 4 Gyr, meaning it could be as old as the Solar System itself. The Athor and Zita families contain asteroids that belong spectroscopically to the X-complex. The Athor family is about 3 Gyr, and the Zita family is potentially as old as the Solar System. Both the Athor and Zita families are believed to be sources of near-Earth X-complex asteroids. Additionally, the Athor family has been linked to low-iron enstatite (EL) meteorites. The main objective of this research is to analyse the spin states of members of these families to confirm their common origin. The primary method employed is based on the established theory of asteroid family evolution, which predicts a predominance of retrograde-rotating asteroids on the inward side of a family's V-shape and prograde-rotating asteroids on the outward side, a pattern driven by the Yarkovsky effect. The study utilises dense and sparse-in-time photometric data, obtained through a dedicated observing campaign called Ancient Asteroids, specifically initiated for this PhD research, and archival sources, to construct asteroid rotational light curves. The light curve inversion method is then applied to determine the sidereal period, 3D convex shape, and spin axis orientation of numerous asteroids in all three families. The Ancient Asteroids observing campaign stands as a testament to the power of international collaboration, uniting amateur and professional astronomers around the globe, collecting data for 120 asteroids, producing almost 700 lightcurves used in this research constructing of over 115 high-resolution asteroid models. The results reveal distinct spin state distributions consistent with the theoretical predictions. For the low-albedo primordial family, the study found that 31 out of 46 confirmed asteroid members are retrograde and 15 are prograde. This predominance of retrograde compared to prograde asteroids is very unlikely (1.29% probability) to be due to sampling a distribution of objects with an equal probability of being prograde and retrograde. The Athor family exhibits a significant excess of retrograde asteroids on the inward side and prograde asteroids on the outward side of its V-shape, a pattern even more pronounced when considering only the family's core members. Similarly, the Zita family displays a high percentage of retrograde asteroids on its inward side. Furthermore, while the Zita family shows a more balanced distribution on its outward side, analysis using Kernel density estimation (KDE) reveals a peak for prograde asteroids in this region, supporting the expected pattern. These findings offer compelling evidence for the common origin of members within each family and validate the effectiveness of the V-shape method in identifying ancient and dispersed families. The spin state analysis also reveals potential cases of spin-orbit resonance among family members, a phenomenon requiring further investigation. In conclusion, the comprehensive analysis of spin states presented in this thesis provides strong support for the existence and characteristics of a low-albedo primordial family, and the Athor and Zita families. The findings confirm their ancient origins and potential contribution to the near-Earth asteroid population for the latter two, while also highlighting the role of the Yarkovsky effect in shaping the rotational properties of family members. This work advances our understanding of the Solar System's evolution and underscores the value of spin state analysis in unravelling the history of asteroid families.

Ένα μικρό ποσοστό (~25%) των ανακαλυφθέντων αστεροειδών έχει συσχετιστεί με περισσότερες από 100 γνωστές οικογένειες αστεροειδών, οι οποίες έχουν δημιουργηθεί από τον κατακερματισμό ενός κοινού μητρικού σώματος. Ο προσδιορισμός των αστεροειδών του υπόλοιπου πληθυσμού που ανήκουν σε άγνωστες οικογένειες θα μπορούσε να περιορίσει τον αρχικό πληθυσμό των πλανητοειδών. Μια τέτοια ταξινόμηση των αστεροειδών φαίνεται να αποτελεί το κλειδί για την κατανόηση της δυναμικής και συγκρουσιακής εξέλιξης του πληθυσμού των αστεροειδών και της συσχέτισης μεταξύ αυτών. Οι οικογένειες αστεροειδών συνήθως αναγνωρίζονται μέσω μεθόδων συσταδοποίησης που βασίζονται σε τροχιακά στοιχεία. Ωστόσο, εναλλακτικές μέθοδοι, όπως η μέθοδος V-shape, η οποία αναλύει τις συσχετίσεις μεταξύ του μεγέθους των θραυσμάτων των αστεροειδών και της απόστασής τους από το κέντρο της οικογένειας, έχουν αποδειχθεί αποτελεσματικές στην αναγνώριση αρχέγονων οικογενειών με διασκορπισμένα μέλη. Η παρούσα διδακτορική διατριβή επικεντρώνεται στη μελέτη της περιστροφικής κατάστασης των αστεροειδών της εσωτερικής κύριας ζώνης, οι οποίοι ανήκουν σε αρχέγονες οικογένειες που αναγνωρίστηκαν μέσω της μεθόδου V-shape. Συγκεκριμένα, μελετήθηκαν τρεις οικογένειες: μία αρχέγονη οικογένεια χαμηλής ανακλαστικότητας (low-albedo), και οι οικογένειες Athor και Zita. Η αρχέγονη οικογένεια χαμηλής ανακλαστικότητας χαρακτηρίζεται από φάσματα χωρίς χαρακτηριστικά γραμμών, ενώ μέχρι στιγμής έχει αναγνωριστεί μόνο η εσωτερική πλευρά της οικογένειας. Η ηλικία αυτής της οικογένειας εκτιμάται στα περίπου 4 δισ. έτη, πράγμα που σημαίνει ότι μπορεί να είναι τόσο παλιά όσο και το ίδιο το Ηλιακό Σύστημα. Οι οικογένειες Athor και Zita περιλαμβάνουν αστεροειδείς που φασματοσκοπικά ανήκουν στο σύμπλεγμα Χ. Η οικογένεια Athor εκτιμάται ότι έχει ηλικία περίπου 3 δισ. έτη, ενώ η οικογένεια Zita είναι πιθανό να έχει ηλικία όσο το Ηλιακό Σύστημα. Και οι δύο οικογένειες θεωρείται ότι αποτελούν πηγές αστεροειδών του συμπλέγματος Χ κοντά στη Γη. Επιπλέον, η οικογένεια Athor έχει συσχετιστεί με μετεωρίτες χαμηλού σιδήρου ενοστατίτη (EL). Ο κύριος στόχος αυτής της έρευνας είναι η ανάλυση των περιστροφικών καταστάσεων των μελών αυτών των οικογενειών για την επιβεβαίωση της κοινής τους προέλευσης. Η κύρια μέθοδος που χρησιμοποιείται βασίζεται στη καθιερωμένη θεωρία της εξέλιξης των οικογενειών αστεροειδών, η οποία προβλέπει την επικράτηση αστεροειδών με ανάδρομη (αριστερόστροφη) περιστροφή στην εσωτερική πλευρά της δομής V-shape μιας οικογένειας και αστεροειδών με ορθόδρομη (δεξιόστροφη) περιστροφή στην εξωτερική πλευρά, ένα πρότυπο που καθορίζεται από το φαινόμενο Yarkovsky. Η μελέτη χρησιμοποιεί πυκνά και αραιά φωτομετρικά δεδομένα στο χρόνο, τα οποία αποκτήθηκαν μέσω μιας εκστρατείας παρατηρήσεων που ονομάζεται Ancient Asteroids, η οποία ξεκίνησε ειδικά για αυτή την έρευνα, καθώς και από βιβλιογραφικές πηγές, για τη δημιουργία καμπυλών φωτός περιστροφής των αστεροειδών. Στη συνέχεια, εφαρμόζεται η μέθοδος αντιστροφής καμπύλης φωτός για τον προσδιορισμό της αστρικής περιόδου, του τρισδιάστατου κυρτού σχήματος και του προσανατολισμού του άξονα περιστροφής για ένα μεγάλο δείγμα αστεροειδών από όλες τις οικογένειες. Η εκστρατεία παρατηρήσεων Ancient Asteroids αποτελεί ένα παράδειγμα της δύναμης της διεθνούς συνεργασίας, με ερασιτέχνες και επαγγελματίες αστρονόμους από όλο τον κόσμο. Συλλέχθηκαν δεδομένα για 120 αστεροειδείς, παράγοντας σχεδόν 700 καμπύλες φωτός, που χρησιμοποιήθηκαν για την κατασκευή περισσότερων από 115 μοντέλων αστεροειδών υψηλής ανάλυσης. Τα αποτελέσματα αποκαλύπτουν διακριτές κατανομές περιστροφικών καταστάσεων, σύμφωνες με τις θεωρητικές προβλέψεις. Για την αρχέγονη οικογένεια χαμηλής ανακλαστικότητας, η μελέτη βρήκε ότι 31 από τους 46 επιβεβαιωμένους αστεροειδείς-μέλη έχουν ανάδρομη περιστροφή και 15 έχουν ορθόδρομη. Η επικράτηση των ανάδρομων σε σχέση με τους ορθόδρομους αστεροειδείς είναι εξαιρετικά απίθανο (με πιθανότητα 1,29%) να οφείλεται σε δειγματοληψία ενός πληθυσμού με ίση πιθανότητα ορθόδρομης και ανάδρομης περιστροφής. Η οικογένεια Athor παρουσιάζει σημαντική υπεροχή ανάδρομων αστεροειδών στην εσωτερική πλευρά και ορθόδρομων στην εξωτερική πλευρά της δομής V-shape, η υπεροχή σε κάθε πλευρά είναι ακόμα πιο έντονη όταν λαμβάνονται υπόψη μόνο τα μέλη του πυρήνα της οικογένειας. Ομοίως, η οικογένεια Zita εμφανίζει υψηλό ποσοστό ανάδρομων αστεροειδών στην εσωτερική πλευρά της. Επιπλέον, ενώ η οικογένεια Zita παρουσιάζει μια πιο ισορροπημένη κατανομή στην εξωτερική πλευρά της, η ανάλυση με τη μέθοδο Kernel Density Estimation (KDE) αποκαλύπτει μια κορυφή για τους ορθόδρομους αστεροειδείς σε αυτή την περιοχή, υποστηρίζοντας το αναμενόμενο πρότυπο. Αυτά τα ευρήματα παρέχουν ισχυρές ενδείξεις για την κοινή προέλευση των μελών κάθε οικογένειας και επιβεβαιώνουν την αποτελεσματικότητα της μεθόδου V-shape στην αναγνώριση αρχέγονων και οικογενειών με διασκορπισμένα μέλη. Η ανάλυση των περιστροφικών καταστάσεων αποκαλύπτει επίσης πιθανά φαινόμενα συντονισμού περιστροφής-τροχιάς μεταξύ των μελών των οικογενειών, ένα φαινόμενο που απαιτεί περαιτέρω διερεύνηση. Συμπερασματικά, η συνολική ανάλυση των περιστροφικών καταστάσεων που παρουσιάζεται σε αυτή τη διατριβή παρέχει ισχυρή υποστήριξη για την ύπαρξη και τα χαρακτηριστικά μιας αρχέγονης οικογένειας χαμηλής ανακλαστικότητας, καθώς και των οικογενειών Athor και Zita. Τα ευρήματα επιβεβαιώνουν τις αρχαίες καταβολές τους και τη δυνητική συνεισφορά τους στον πληθυσμό των αστεροειδών κοντά στη Γη για τις δύο τελευταίες, ενώ παράλληλα αναδεικνύουν το ρόλο του φαινομένου Yarkovsky στη διαμόρφωση των περιστροφικών ιδιοτήτων των μελών των οικογενειών. Η εργασία αυτή προάγει την κατανόηση της εξέλιξης του Ηλιακού Συστήματος και υπογραμμίζει την αξία της ανάλυσης περιστροφικών καταστάσεων στην αποκάλυψη της ιστορίας των οικογενειών αστεροειδών.