Connecting the Dots: Dust Particle Tracking at Comet 67P/Churyumov-Gerasimenko

by Marius Pfeifer
Cumulative thesis
Date of Examination:2024-07-03
Date of issue:2025-05-21
Advisor:Prof. Dr. Jessica Agarwal
Referee:Prof. Dr. Stefan Dreizler
Referee:Prof. Dr. Jessica Agarwal
Persistent Address: http://dx.doi.org/10.53846/goediss-11276

 

 

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Abstract

English

Comets and their characteristic plasma and dust tails have been intriguing people for millennia. Early theories about their nature were for example already developed by the ancient Chinese and Greek, but it was not until the late 1500s that we started to understand that comets were small bodies in our Solar System. It then took another few hundred years to reliably predict their complex orbital motion, and only in the 1950s did we begin to develop plausible theories about their origin and makeup. In 1986, a spacecraft visited a comet for the first time and confirmed that comets indeed have solid nuclei and are not just a cloud of ice and dust. Finally in 2014, the Rosetta mission arrived at comet 67P/Churyumov-Gerasimenko and continued to accompany it for over two years—an unprecedented feat. The mission yielded an equally unprecedented wealth of information, which revolutionized our understanding of comets. And yet the exact mechanism by which comets eject their solid surface material is still not fully understood. Solving this “activity paradox” is currently one of the main challenges in cometary science. One way to learn more about the ejection process is by studying the dynamics of the ejected material. Consequently, the scientific camera system on board the Rosetta spacecraft recorded several image sequences of 67P's near-nucleus coma. Tracking these dust particles is however highly non-trivial due to sparse data, complex particle motions, fluctuating camera pointing, a high particle density, and other factors. In the scope of this work, I therefore developed a novel tracking algorithm specifically optimized for Rosetta data and used it to track thousands of individual dust particles through several image sequences. Focusing on the four most suitable image sequences, I then continued to trace hundreds of decimeter-sized “particles” back to the nucleus surface and determined their potential source regions, size distributions, and dynamics. The results, which were additionally corroborated by extensive dust coma modeling, reveal that the observed activity cannot be explained by heightened solar radiation alone. Instead, the local surface structure and composition likely play important roles. Most notably, we found that the particles likely gained most of their speed already during their ejection events, which hints at a more “explosive” mechanism. Due to this discovery, we may therefore be one step closer to solving the activity paradox.
Keywords: comets; particle tracking; comet 67/Churyumov-Gerasimenko; astrophysics; comet activity; coma particles; zodiacal dust; dust particles; particle dynamics; comet physics

German

Kometen und ihre charakteristischen Plasma- und Staubschweife faszinieren die Menschen schon seit Jahrtausenden. Frühe Theorien über ihre Natur wurden beispielsweise bereits von den alten Chinesen und Griechen entwickelt, aber erst gegen Ende des 16. Jahrhunderts begannen wir zu verstehen, dass Kometen kleine Körper in unserem Sonnensystem sind. Es dauerte dann noch einige hundert Jahre, bis wir ihre komplexe Bahnbewegung zuverlässig vorhersagen konnten, und erst in den 1950er Jahren begannen wir, plausible Theorien über ihren Ursprung und ihre Zusammensetzung zu entwickeln. Im Jahr 1986 besuchte erstmals eine Raumsonde einen Kometen und bestätigte, dass Kometen tatsächlich feste Kerne besitzen und nicht nur aus einer Eis- und Staubwolke bestehen. Schließlich erreichte 2014 die Rosetta-Mission den Kometen 67P/Churyumov-Gerasimenko und begleitete ihn über zwei Jahre lang – eine beispiellose Leistung. Die Mission lieferte eine ebenso beispiellose Fülle an Informationen, die unser Verständnis von Kometen revolutionierten. Doch der genaue Mechanismus, durch den Kometen ihr festes Oberflächenmaterial ausstoßen, ist noch immer nicht vollständig verstanden. Die Lösung dieses „Aktivitätsparadoxons“ ist derzeit eine der Hauptherausforderungen in der Kometenforschung. Eine Möglichkeit, mehr über den Ausstoßprozess zu erfahren, besteht darin, die Dynamik des ausgestoßenen Materials zu untersuchen. Folglich zeichnete das wissenschaftliche Kamerasystem an Bord der Rosetta-Raumsonde mehrere Bildsequenzen der Koma nahe des Kerns von 67P auf. Die Verfolgung dieser Staubpartikel ist jedoch aufgrund spärlicher Daten, komplexer Teilchenbewegungen, schwankender Kamerapositionierung, hoher Teilchendichte und anderer Faktoren äußerst schwierig. Im Rahmen dieser Arbeit habe ich daher einen neuartigen Tracking-Algorithmus entwickelt, der speziell für Rosetta-Daten optimiert ist, und ihn verwendet, um Tausende einzelner Staubpartikel durch mehrere Bildsequenzen zu verfolgen. Mit Fokus auf die vier bestgeeignetsten Bildsequenzen habe ich dann Hunderte von dezimetergroßen „Partikeln“ zurück zur Nukleusoberfläche verfolgt und ihre potenziellen Ursprungsregionen, Größenverteilungen und Dynamiken bestimmt. Die Ergebnisse, die zusätzlich durch umfangreiche Staubkoma-Modellierungen bestätigt wurden, zeigen, dass die beobachtete Aktivität nicht allein durch erhöhte Sonneneinstrahlung erklärt werden kann. Stattdessen spielen die lokale Oberflächenstruktur und Zusammensetzung wahrscheinlich wichtige Rollen. Am bemerkenswertesten fanden wir, dass die Partikel den größten Teil ihrer Geschwindigkeit wahrscheinlich bereits während ihrer Ausstoßereignisse erhielten, was auf einen eher „explosiven“ Mechanismus hinweist. Durch diese Entdeckung sind wir somit möglicherweise einen Schritt näher daran, das Aktivitätsparadoxon zu lösen.
 
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