Les astéroïdes sont de petits corps du Système solaire caractérisés par une gravité de surface extrêmement faible. Dans ces conditions, l’inattendu devient la norme : des corps rocheux en apparence solides peuvent présenter une résistance mécanique remarquablement faible. Leurs surfaces conservent les traces de leur formation et sont continuellement remodelées par les collisions, les avalanches, l’altération spatiale et d'autres processus de remaniement. La morphologie de surface témoigne ainsi des processus qui ont façonné ces corps et de leur évolution. L'interprétation de ces caractéristiques de surface nécessite cependant de comprendre les propriétés mécaniques du régolithe, qui contrôlent le comportement de ces surfaces aux perturbations externes. La caractérisation des ces propriétés est essentielle pour comprendre l’évolution des astéroïdes et, dans le contexte de la défense planétaire, prédire leur réponse aux techniques de déviation. La mission Hera de l’ESA, qui rejoindra le système binaire Didymos–Dimorphos fin 2026, étudiera les conséquences de l’impact cinétique de la mission DART de la NASA réalisé sur Dimorphos en 2022. Dans cette thèse, nous développons des méthodes expérimentales et de télédétection pour caractériser les surfaces des astéroïdes et leurs propriétés physiques et mécaniques, avec un accent particulier pour leur application à la mission Hera.
Nous étudions d’abord le comportement des matériaux granulaires en faible gravité. À partir d'expériences réalisées dans la tour de chute à ZARM, nous montrons que la cohésion entre les grains devient dominante lorsque la gravité diminue : des matériaux non cohésifs sur Terre peuvent ainsi présenter un comportement cohésif en faible gravité. Nous établissons une loi d’échelle décrivant la résistance des surfaces granulaires à la pénétration quasi-statique en tenant compte des contributions frictionnelle-lithostatique et cohésive. Nous montrons également que la pression ambiante influence fortement la pénétration des matériaux à particules fines. Ces résultats permettent de mieux contraindre le comportement mécanique du régolithe dans les conditions de faible gravité et de vide caractéristique des astéroïdes.
Nous étudions ensuite la morphologie des blocs rocheux. Nous réalisons une analyse quantitative des roches présents sur plusieurs surfaces des astéroïdes, dont Dimorphos, permettant de contraindre leur angle de friction interne et processus de formation. Nous établissons également des relations statistiques entre la morphologie bidimensionnelle et tridimensionnelle, permettant ainsi d’estimer la taille et forme tridimensionnelle des roches à partir d’images. Enfin, nous étudions l’utilisation de l’altimétrie laser pour caractériser la dynamique des systèmes binaires. En simulant les mesures de PALT-H (altimètre à bord de Hera), nous montrons que le mouvement périodique de Didymos autour du barycentre peut être détecté dans les mesures de distance par analyse fréquentielle. Ces mesures permettent ainsi d'estimer le rapport de masse des deux astéroïdes.
Ensemble, ces travaux proposent des approches complémentaires pour caractériser les propriétés mécaniques des surfaces des astéroïdes à partir d’observations et d’expériences. Nous développons des méthodes pour quantifier la taille, forme et orientation des roches, complétées par des expériences visant à étudier l’interaction d’objets avec le régolithe, notamment la pénétration et l’enfoncement d’un atterrisseur, ou d’un bloc rocheux. Appliquées aux observations de Hera, ces méthodes contribueront à caractériser Didymos et Dimorphos, notamment leurs masses et leurs population de blocs rocheux et morphologie. Ces analyses permettront ainsi à contraindre les propriétés mécaniques telles que la densité, la cohésion et la friction - contribuant ainsi à l’interprétation de données Hera et de l’impact de DART. |
Asteroids are small bodies of the Solar System that possess extremely low surface gravity. Under these conditions, the unexpected is to be expected: apparently solid rocky bodies can exhibit remarkably low mechanical strength. Their surfaces preserve evidence of their formation history and are continuously modified by collisions, space weathering, landslides, and other processes. The surface morphology, therefore, provides valuable clues to the processes that shaped these bodies and about their evolution. However, interpreting these features requires an understanding of the regolith mechanical properties, which control how asteroid surfaces respond to external perturbations. Characterizing these properties is essential for understanding asteroid evolution and, in the context of planetary defense, for predicting the response of asteroids to deflection manoeuvres. The ESA Hera mission, which will return to the Didymos–Dimorphos binary asteroid system in late 2026, will investigate the outcome of the NASA DART kinetic-impact experiment performed on Dimorphos in 2022. In this thesis, we develop experimental and remote-sensing methodologies to characterize asteroid surface geomorphology and constrain the physical and mechanical properties of small bodies, with a focus on their application to Hera.
We first investigate the mechanical behavior of granular materials under low-gravity conditions. Through experiments performed in the ZARM drop tower, we demonstrate that cohesion becomes increasingly important as gravity decreases, such that materials that behave as cohesionless under terrestrial conditions can exhibit a cohesive behavior under low gravity. We establish a scaling law to describe the resistance of granular surfaces to quasi-static penetration that accounts for both the frictional-lithostatic resistance and the cohesion. We further demonstrate that ambient pressure significantly affects the penetration behavior of fine-grained materials. These results constrain the mechanical response of regolith under the low-gravity and vacuum conditions relevant to asteroids.
We then investigate the morphology of asteroid surface boulders. We perform a quantitative analysis of boulders on rubble-pile asteroids, including Dimorphos, and use their morphology to constrain the internal angle of friction and formation processes. We establish statistical relationships between two- and three- dimensional particle morphology that allow three-dimensional boulder size and shape to be estimated from spacecraft images while accounting for viewing geometry uncertainties. Finally, we investigate laser altimetry as a method for characterizing binary asteroid systems dynamics. By simulating PALT-H (Planetary Altimeter onboard Hera) measurements, we demonstrate that the periodic motion of Didymos around the system barycenter can be detected in laser altimeter range measurements though frequency analysis. These measurements can provide an additional constraint on the mass ratio of binary asteroid systems and complement radio-science and imaging observations.
Together, these studies provide complementary approaches for interpreting asteroid mechanical properties from remote observations and experiments. We develop methods to quantify boulder size, shape, and orientation, complemented by experiments investigating how objects interact with regolith, such as the penetration and sinkage of a lander, CubeSat, or boulder. Applied to Hera observations, these methodologies will support the characterization of Didymos and Dimorphos, including their masses, boulder populations and morphology. Combining these observations with experiments will provide insights into the surface mechanical properties such as density, cohesion, and friction, and therefore, contribute to the interpretation of the Hera mission data and the DART impact. |