Observing and modeling water activity and surface changes over dust cover on comet 67P/Churyumov-Gerasimenko

Hu, Xuanyu

The excitement of the Rosetta Mission culminated in 2014 when the spacecraft arrived at comet 67P/Churyumov-Gerasimenko (67P) after a ten-year chase to escort the comet through its following perihelion passage. Characterizing the distribution of activity and surface changes over the nucleus was among the main scientific objectives of OSIRIS, the camera system onboard Rosetta, that would shed light on the physical and compositional properties of the nucleus and its evolution. Some fundamental geometric and photometric methods of image analysis are reviewed and refurbished in this work that are instrumental to the determination of sources of dust activity and quantification of surface changes on 67P observed by OSIRIS. Deriving nucleus properties from the observed dust activity and surface changes relies on modeling of thermo-physical conditions of the nucleus at the epochs of observations. The general formulation and numerical recipes of two cometary thermo-physical models, as well as strategies of model parameterization, are explicated in this work in order to facilitate the determination of nucleus subsurface properties. Dust jets from the night side had been recurrently observed on 67P, in often cases near the dusk terminators. The thermo-physical models are parameterized and applied to simulate the thermal and mechanical conditions of the nucleus subsurface over the source areas of jets under which the observed dust activity could have been sustained after sunset. These jets are found to have probably originated from the depth of a few millimeters below the surface where water ice was present and where the residual warmth could sustain strong water outgassing even one hour after dark. The source areas of the sunset jets had undergone significant changes when 67P reached 2 AU inbound from the Sun. It will be shown that these changes, as well as numerous others found at roughly the same latitudes, were erosive in nature and induced by sublimation of water ice accumulated over months. The quantification of the changes based on OSIRIS observations in comparison with the estimation of accumulated water ice loss via thermo-physical modeling revealed a low ice abundance on the order of 1% in the dust cover on average. These results allude to a fundamental but unresolved question regarding physics of cometary activity and evolution, namely, the detailed mechanism of ejection of dust induced by sublimation of lesser amounts of water ice underneath.

Die Euphorie über die Rosetta Mission erreichte ihren Höhepunkt im Jahr 2014, als die Raumsonde nach 10 Jahren Reise den Kometen 67P/Tschurjumow-Gerassimenko erreichte, um ihn über die nächsten zwei Jahre auf seiner Bahn um die Sonne zu begleiten. Das Verständnis von Aktivität und der dadurch hervorgerufenen Oberflächenänderungen war eine zentrale wissenschaftliche Zielsetzung für OSIRIS, dem Kamerasystem auf Rosetta. Dies sollte Aufschluss geben über die veränderlichen physikalischen Eigenschaften und die Materialzusammensetzung des Nukleus. In der vorliegenden Arbeit werden zunächst grundlegende geometrische und photometrische Methoden der Bildanalyse aufgearbeitet, welche die Lokalisierung von Staubaktivität und die Quantifizierung von Oberflächenveränderungen auf Komet 67P anhand von OSIRIS Bilddaten ermöglichen. Um aus diesen Beobachtungen auf die physikalischen Eigenschaften des Nukleus zu schließen, ist eine Modellierung der thermophysikalischen Bedingungen in ausgewählten Zeiträumen nötig. Die Formulierung und Implementierung zweier thermophysikalischer Kometenmodelle sowie Strategien der Modellparametrisierung werden in dieser Arbeit ausgeführt. Die Modelle ermöglichen die Bestimmung von Eigenschaften des Kometen. Staubjets auf der Nachtseite wurden immer wieder auf 67P beobachtet, vielfach in der Nähe der Tag-Nacht-Grenze. Die thermophysikalischen Modelle werden parametriert und angewendet, um die thermischen und mechanischen Bedingungen in Schichten unter deren Quellenbereichen zu simulieren und die dort beobachtete Staubaktivität nach Sonnenuntergang zu erklären. Die Modelle zeigen, dass diese Jets wahrscheinlich aus Tiefen von wenigen Millimetern unterhalb der Oberfläche entstanden, wo durch Restwärme auch eine Stunde nach der Dunkelheit vorhandenes Wassereis verdampfen konnte. In den Quellenbereichen dieser Jets haben erhebliche Oberflächenänderungen stattgefunden, als der Komet einen Abstand von 2 Astronomischen Einheiten zur Sonne erreichte. Vergleicht man quantitativ die Veränderungen basierend auf OSIRIS Beobachtungen mit dem akkumulierten Wassereisverlust aus den thermophysikalischen Modellen, ergibt sich ein niedriger Eisanteil in der Größenordnung von 1% im Staubmantel. Diese Ergebnisse adressieren eine fundamentale, aber ungelöste Frage nach der Physik der Kometenaktivität und -evolution, konkreter dem detaillierten Mechanismus des Ausstoßes von Staub, der durch Sublimation von geringeren Mengen an Wassereis verursacht wird.

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Hu, Xuanyu: Observing and modeling water activity and surface changes over dust cover on comet 67P/Churyumov-Gerasimenko. 2018.

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