Orbital and collisional dynamics of small bodies

• Thesis title in Czech: Orbitální a kolizní dynamika malých těles
• Thesis title in English: Orbital and collisional dynamics of small bodies
• Key words: orbitální dynamika|kolizní dynamika|planetky|Sluneční soustava|Trojané
• English key words: orbital dynamics|collisional dynamics|asteroids|Solar System|Trojans
• Academic year of topic announcement: 2012/2013
• Thesis type: dissertation
• Thesis language: angličtina
• Department: Astronomical Institute of Charles University (32-AUUK)
• Supervisor: doc. Mgr. Miroslav Brož, Ph.D.
• Author: hidden - assigned and confirmed by the Study Dept.
• Date of registration: 27.09.2013
• Date of assignment: 27.09.2013
• Confirmed by Study dept. on: 09.12.2013
• Date and time of defence: 29.09.2021 09:30
• Date of electronic submission: 10.08.2021
• Date of submission of printed version: 10.08.2021
• Date of proceeded defence: 29.09.2021
• Opponents: Mikael Granvik
• Advisors: doc. Mgr. Josef Ďurech, Ph.D.

Guidelines

Úkolem studenta je detailní studium orbitální, rotační a kolizní dynamiky
malých těles (planetek, komet), a to po stránce teoretické a částečně
i po stránce observační. Níže jsou vytyčena tři širší témata (a příslušná
motivace) pro disertační práci, přičemž první je již studentem částečně
rozpracované, druhé je logickým rozšířením modelů, které standardně používáme.
Naproti tomu téma třetí je novým směrem výzkumu, u kterého však může být
začátek obtížnější a výsledek méně jistý.

--

1) Studium dlouhodobého orbitálního vývoje kolizních rodin mezi Trojany
Jupiteru a simulace rozpadů mateřských těles.

Motivací práce je srovnání pozorovaných vlastností Trojanů s predikcemi modelů
orbitálního vývoje obřích planet (např. Morbidelli et al. 2010, Nesvorný 2011,
Nesvorný et al. 2012, Nesvorný et al. 2013). Mezi dílčí úkoly by mimo jiné
patřilo ověření závěrů práce Brož & Rozehnal (2011) s využitím nových dat z družice WISE,
simulace orbitálního a kolizního vývoje rodin Trojanů ve výše uvedených scénářích
orbitálního vývoje planet a diskuse časové konvergence pericenter a uzlů těles možných rodin.

Literatura:

Brož M., Rozehnal J.: Eurybates - the only asteroid family among Trojans?, MNRAS, 414, 565, 2011.
Nesvorný D., Vokrouhlický D., Morbidelli A.: Capture of Trojans by Jumping Jupiter, 768, 45, 2013.
Nesvorný D., Morbidelli A.: Statistical Study of the Early Solar System's Instability with Four, Five, and Six Giant Planets, AJ, 144, 117, 2012.
Nesvorný D.: Young Solar System's Fifth Giant Planet, ApJ, 742, L22, 2011.
Morbidelli A., Brasser R., Gomes R., Levison H. F., Tsiganis K.: Evidence from the Asteroid Belt for a Violent Past Evolution of Jupiter's Orbit, AJ, 140, 1391, 2010.
Morbidelli A., Bottke W. F., Nesvorný D., Levison H. F.: Asteroids were born big, Icarus, 204, 558, 2009.

--

2) Interpretace světelných křivek asteroidů pořízených v rámci projektu TAČR č. TA03011171
(Vývoj technologií pro rychlé robotické observatoře a laserové komunikační systémy)

Vytvoření kombinovaných modelů vývoje drah i rotačních os pro různé populace
malých těles (hlavní pás nebo jednotlivé rodiny asteroidů) je podmínkou smysluplného
využití nových fotometrických dat, které je možno získat z přehlídkových dalekohledů
(Hanuš et al. 2013) nebo připravovaných robotických přístrojů (např. v rámci zmiňovaného
projektu TAČR, podpořeného na roky 2013 a 2014).

Práce by spočívala v základní redukci a zejména v interpretaci získaných dat
(tj. světelných křivek, směrů rotačních os a modelů tvaru, odvozených inverzní metodou
Kaasalainen et al. 2001). Potřebným krokem je např. rozšíření orbitálního integrátoru SWIFT
(Levison & Duncan 1994) o implementaci symplektického integrátoru spinu (Breiter et al. 2005),
která nám umožní detailní studium dynamiky vybraného vzorku asteroidů hlavního pásu
se započtením spin-orbitálních rezonancí.

Literatura:

Hanuš J., Ďurech J., Brož M. et al.: Asteroids' physical models from combined dense and sparse photometry and scaling of the YORP effect by the observed obliquity distribution, A&A
Levison H. F., Duncan M.: The long-term dynamical behavior of short-period comets, Icarus, 108, 18, 1994.
Breiter S., Nesvorný D., Vokrouhlický D.: Efficient Lie-Poisson Integrator for Secular Spin Dynamics of Rigid Bodies, AJ, 130, 1267, 2005.
Kaasalainen M., Torppa J., Muinonen K.: Optimization Methods for Asteroid Lightcurve Inversion. II. The Complete Inverse Problem, Icarus, 153, 37, 2001

--

3) Simulace srážek asteroidů, příp. simulace rozpadů ledových těles
(kometárních jader) při přiblížení ke Slunci.

Motivací pro provedení simulací srážek je například pokus o vysvětlení
nesouladu mezi pozorovaným počtem rodin (s mateřskými tělesy o průměru větším než 100 km)
v hlavním pásu planetek a předpokládaným počtem, který vyplývá ze simulací
velkého pozdního bombardování. V práci Brož et al. (2012) tento nesoulad vysvětlujeme sekundárními srážkami
a následným rozptýlením rodin Jarkovského jevem, v úvahu však připadají další
možnosti, související se srážkami a rozpady kometárních jader.

Součástí práce by proto bylo studium srážek mezi pevnými terči (asteroidy) a málo
soudržnými projektily (kometami) při vyšších rychlostech, které nebyly dosud zkoumány,
a to pomocí hydrodynamických kódů (např. Gadget 2, Springel 2005,
použitý např. v Cuk & Stewart 2012), a dále vyšetření možné závislosti
rychlosti rozpadu kometárních jader na jejich velikosti a vzdálenosti od Slunce.

Literatura:

Brož M., Morbidelli A., Bottke W. F., Rozehnal J., Vokrouhlický D., Nesvorný D.: Constraining the cometary flux through the asteroid belt during the late heavy bombardment, A&A, 55
Cuk M., Stewart S. T.: Making the Moon from a Fast-Spinning Earth: A Giant Impact Followed by Resonant Despinning, Science, 338, 1047, 2012.
Benavidez P. G., Durda D. D., Enke B. L., Bottke W. F., Nesvorný D., Richardson D. C., Asphaug E., Merline W. J.: A comparison between rubble-pile and monolithic targets in impact
Durda D. D., Bottke W. F., Nesvorný D., Enke B. L., Merline W. J., Asphaug E., Richardson D. C.: Size-frequency distributions of fragments from SPH/N-body simulations of asteroid i
Stewart S. T., Leinhardt Z. M.: Velocity-Dependent Catastrophic Disruption Criteria for Planetesimals, ApJL, 691, L133, 2009.
Springel A.: The cosmological simulation code GADGET-2, MNRAS, 364, 1105, 2005.

--

Časový plán:

r. 2013 až 2014: dynamika rodin Trojanů, účast na konferenci DPS, publikace výsledků
2014 až 2015: spin-orbitální intergrátor, simulace hlavního pásu a rodin (data z TAČR)
2015 až 2016: publikace dat z TAČR, začátek práce s hydrodynamickým kódem, řešení základních operací
2016 až 2017: výpočty simulací srážek, prezentace dosavadních výsledků na DPS, dokončení disertace

References

viz výše