Soutenance de thèse de Marin FERRAIS

Les astéroïdes de notre système solaire présentent une grande variété de tailles, de formes, de compositions et de propriétés orbitales. En raison de leur grand nombre, et même s'ils ne représentent qu'une fraction infime de la masse totale des planètes, ils fournissent des contraintes puissantes pour les modèles de formation des systèmes planétaires. A cet égard, l'étude des propriétés physiques des astéroïdes (taille, forme, spin, densité, masse, structures internes) est primordiale pour tenter ensuite de remonter le temps et mieux comprendre comment le Système solaire s'est formé et a évolué depuis l'accrétion des premiers planétésimaux. Cependant, on sait peu de choses sur leurs densités et leurs structures internes alors qu'il s'agit de propriétés fondamentales qui découlent des conditions de formation et de l'évolution collisionnelle. Afin de progresser dans notre compréhension de la structure interne des astéroïdes, un large programme de l'ESO a été mené pour imager un échantillon significatif des plus grands (D ≤ 100 km) astéroïdes de la ceinture principale, couvrant les principales classes de composition. L'instrument à optique adaptative dans le visible VLT/SPHERE/ZIMPOL a fourni des observations à haute résolution pour 42 astéroïdes. Les images détaillées ont permis de dériver leurs volumes via des modèles de forme 3D, et donc leurs densités grâce à des estimations de la masse. Cette thèse a pour but d'apporter de nouvelles contraintes sur la formation et l'évolution des plus grands astéroïdes de la ceinture principale, en particulier via la modélisation de la forme des cibles du programme ESO. Des modèles de forme 3D détaillés ont été produits en utilisant la méthode de reconstruction de forme 3D MPCD, laquelle a été précédemment développée pour la mission ESA/Rosetta. Des courbes de lumière optique ont également été acquises avec les télescopes TRAPPIST. Les résultats englobent les études dédiées de deux astéroïdes en particulier, (16) Psyché et (22) Calliope et l'analyse quantitative de l'échantillon complet de modèles de forme. Psyché et Calliope sont deux astéroïdes riches en métaux dont les densités sont parmi les plus élevées connues pour les petits corps. La forme 3D obtenue de Psyché, qui est la cible d'une prochaine mission Discovery de la NASA, implique une forme primordiale proche de celle d'un ellipsoïde de Jacobi. La densité apparente de Calliope a été déterminée à partir de son modèle de forme et de la dynamique de son satellite. Sa densité élevée, associée aux déterminations précédentes de sa composition de surface riche en silicate, suggère fortement un intérieur différencié. L'analyse de tout les modèles de forme a montré une division en deux familles d'objets, les sphériques et les allongés. Enfin, la grande différence entre les densités obtenues a fourni des indices sur les origines des principales classes de composition.

Asteroids in our Solar System exhibit a wide variety of sizes, shapes, compositions, and orbital properties. Because of their large numbers, and even if they only represent a tiny fraction of the total mass of the planets, they provide powerful constraints for planetary system formation models. In this regard, the study of the physical properties of asteroids (size, shape, spin, density, mass, internal structures) is of prime importance to then try to turn back the clock and better understand how the Solar System formed and evolved since the accretion of the early planetesimals. However, little is known regarding their densities and internal structure although these are fundamental properties that derive from the formation conditions and collisional evolution. To make progress in our understanding of the internal structure of asteroids, an ESO large program was conducted to image a significant sample of the largest (D ≤ 100 km) main belt asteroids, covering the main compositional classes. The VLT/SPHERE/ZIMPOL adaptive-optics-fed instrument working in the visible provided high-resolution observations for 42 of these bodies. The detailed disk-resolved images allowed to derive their volumes via 3D shape modeling, thus their densities when combine with mass estimates. This thesis aims to bring new constraints on the formation and evolution of the largest main belt asteroids, mainly through the shape modeling of the ESO large program targets. Detailed 3D shape models were produced using the 3D shape reconstruction procedure MPCD, that was previously developed for the ESA/Rosetta mission. Optical lightcurves were also acquired with the TRAPPIST telescopes. The results encompass the dedicated studies of two particular asteroids, (16) Psyche and (22) Kalliope and the quantitative analysis of the complete sample of shape models. Psyche and Kalliope are both metallic rich asteroids whose densities were found to be among the highest known for small bodies. The obtained 3D shape of Psyche, which is the target of a forthcoming NASA discovery mission, implies a primordial shape close to that of a Jacobi ellipsoid. The bulk density of Kalliope was determined from its shape model and from the dynamics of its satellite. Its high density, coupled with previous determinations of its silicate-rich surface composition, strongly suggests a differentiated interior. The analysis of the 42 reconstructed shape showed a division in two families of objects, the spherical and the elongated. Finally, the large difference in the derived densities provided clues about the origins of the main compositional classes.