Physical properties of asteroid targets of the Rosetta space mission, and of minor bodies of the outer Solar System

The minor bodies of the Solar System are the remnants of the primordial planetesimal population. Their investigation can hence help us to improve our knowledge about the environment conditions in the solar nebula, and to understand the thermal and physical processes that took place in the early phases of the Solar System. During my PhD, I focused on the physical characterization of the asteroids (2867) Steins and (21) Lutetia, targets of the ESA-Rosetta space mission, and of the minor bodies of the outer Solar System (Centaurs and Trans-Neptunian Objects, TNOs). The knowledge of the physical properties of asteroids to be visited by spacecrafts is fundamental to optimize the observing procedure during the mission, and to plan specific observations of the most interesting regions of the asteroid surface. Moreover, the comparison of the results obtained from the Earth and those obtained in situ will provide the ground truth for standard ground-based investigations of the asteroids which will be never reached by a space mission. In the framework of my research I hence performed a ground-based investigation of Steins and Lutetia, carrying out visible photometric and spectroscopic observations of these two bodies using the Telescopio Nazionale Galileo (TNG, La Palma, Spain). From the reduction, the analysis, and the interpretation of the obtained data, I improved the physical knowledge of both the objects prior to the Rosetta fly-by. As for the outer minor bodies, their science is very young (after Pluto, the first object having a trans-Neptunian orbit was found only in 1992), and there is still a lack of fundamental data about them. Nowadays they probably represent the most investigated objects in planetary research, since these minor bodies accreted at large heliocentric distances: they contain the most pristine material presently available for our studies, and preserve records of the processes occurred during the early history of the Solar System. In this thesis I present the results I obtained as part of a Large Programme performed at the European Southern Observatory (ESO, Chile) on Centaurs and Trans-Neptunian Objects: I carried out four of the several observing runs, I reduced and analysed visible and near-infrared photometric and spectroscopic data, I contributed to the interpretation of the obtained spectra using radiative transfer models, and, in particular, I took in charge the analysis and interpretation of the visible and near-infrared photometric dataset (color indices and light curves). On the basis of the obtained colors, I derived the taxonomic classification of the observed TNOs and Centaurs, and I performed a statistical analysis using also the whole available literature looking for correlations between taxonomy and dynamics. From the interpretation of the light curves I gathered information about the rotation, shape and density of the objects under analysis, and I investigated the density statistics of the small bodies of the outer Solar System combining these new results with literature data.

I corpi minori del Sistema Solare rappresentano le vestigia della popolazione primordiale dei planetesimi. Il loro studio può quindi aiutarci a migliorare la nostra conoscenza delle condizioni ambientali nella nebulosa solare, e a comprendere i processi termici e fisici che ebbero luogo durante le prime fasi evolutive del Sistema Solare. Nel corso del mio Dottorato, mi sono focalizzato sulla caratterizzazione fisica degli asteroidi (2867) Steins e (21) Lutetia, obiettivi della missione spaziale ESA-Rosetta, e dei corpi minori del Sistema Solare esterno (Centauri e oggetti transnettuniani, TNO dall'acronimo inglese). La conoscenza delle proprietà fisiche degli asteroidi che saranno visitati da sonde spaziali è fondamentale per ottimizzare la procedura di osservazione durante la missione, e per pianificare delle osservazioni specifiche delle regioni più interessanti della superficie dell'asteroide. Inoltre, il confronto dei risultati ottenuti da terra e di quelli ottenuti "in situ" fornirà il cosiddetto "ground truth" per le indagini da terra standard compiute sugli asteroidi che non saranno mai raggiunti da una missione spaziale. Nel quadro della mia ricerca ho quindi eseguito uno studio da terra di Steins e Lutetia, effettuando osservazioni fotometriche e spettroscopiche nel visibile di questi due corpi, utilizzando il Telescopio Nazionale Galileo (TNG, La Palma, Spagna). Dalla riduzione, analisi, e interpretazione dei dati ottenuti, ho migliorato la conoscenza fisica di entrambi gli oggetti prima dell'incontro con Rosetta. Per quanto riguarda i corpi minori del Sistema Solare esterno, la loro scienza è molto giovane (dopo Plutone, il primo oggetto con un'orbita transnettuniana è stato trovato solo nel 1992), e vi è ancora una mancanza di dati fondamentali. Oggigiorno questi corpi rappresentano probabilmente gli oggetti più studiati nella ricerca planetaria, in quanto si sono accresciuti a grandi distanze eliocentriche: contengono il materiale più incontaminato attualmente disponibile per i nostri studi, e conservano memoria dei processi che si sono verificati nel Sistema Solare primordiale. In questa tesi sono presentati i risultati che ho ottenuto come parte di un ampio programma eseguito presso l'European Southern Observatory (ESO, Cile), su Centauri e oggetti transnettuniani: ho condotto quattro delle varie sessioni di osservazione, ho ridotto e analizzato dati fotometrici e spettroscopici nel visibile e nel vicino infrarosso, ho contribuito all'interpretazione degli spettri ottenuti utilizzando modelli di trasporto radiativo, e, in particolare, ho preso in carica l'analisi e l'interpretazione del set di dati fotometrici nel visibile e vicino infrarosso (indici di colore e curve di luce). Sulla base dei colori ottenuti, ho ottenuto la classificazione tassonomica dei TNO e Centauri osservati, e ho condotto un'analisi statistica, utilizzando anche tutta la letteratura disponibile, alla ricerca di correlazioni tra tassonomia e dinamica. Dall'interpretazione delle curve di luce ho raccolto informazioni sulla rotazione, la forma, e la densità degli oggetti in esame, e ho studiato la statistica della densità dei corpi minori del Sistema Solare esterno, combinando questi nuovi risultati con quelli di letteratura.