Wyznaczanie niewypukłych modeli planetoid na podstawie obserwacji fotometrycznych
Loading...
Date
2019
Authors
Advisor
Editor
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Title alternative
Determining non-convex asteroid models from photometric data
Abstract
Tematem niniejszej rozprawy doktorskiej jest wyznaczanie niewypukłych modeli
planetoid, oraz ocena ich niepewności, w oparciu o dane fotometryczne. Dzięki
modelom kształtów planetoid możemy wyznaczać gęstości tych małych ciał Układu
Słonecznego. Gęstość to fundamentalny parametr fizyczny, który pozwala na
wysnuwanie wniosków na temat ich budowy wewnętrznej, kompozycji chemicznej oraz
historii powstania. Głównym źródłem danych na temat kształtów planetoid są dane
fotometryczne z zakresu widzialnego: krzywe zmian jasności oraz fotometria
absolutna.
Analizy teoretyczne możliwości inwersji krzywych zmian jasności oraz rozwijanie
metod modelowania kształtów planetoid mają ponad stuletnią historię. Pierwsze
modele planetoid były trójosiowymi elipsoidami. Orientując odpowiednio oś
rotacji tego kształtu można wyjaśnić zmiany amplitud i magnitud ciała
obserwowanego na różnych długościach ekliptycznych. Mimo swej prostoty, modele
te okazały się dobrym pierwszym przybliżeniem i otworzyły furtkę do rozwoju
bardziej zaawansowanych metod.
Prawdziwym kamieniem milowym w rozwoju modelowania planetoid była metoda
inwersji wypukłej. Mimo, że generuje ona kształty wypukłe, co ma znaczenie dla
szacunków objętości i gęstości, jest w stanie wyjaśnić nie tylko globalne zmiany
krzywych zmian jasności, ale i ich szczegóły. W niniejszej pracy podjęto próbę
stworzenia metody inwersji, która nie zakłada wypukłości kształtu, i której
celem jest tworzenie modeli dokładniej oddających objętości planetoid.
Opisywana w tej pracy metoda inwersji niewypukłych kształtów planetoid SAGE
(ang. Shaping Asteroid models using Genetic Evolution) jest oparta o
algorytm genetyczny. Zaczynając od sfery i losowej orientacji osi obrotu, w
kolejnych iteracjach tworzone są populacje zmodyfikowanych kształtów. Model z
populacji najlepiej dopasowany do krzywych zmian jasności staje się zarodkiem
następnego pokolenia kształtów. W efekcie ewolucji, po setkach iteracji
(pokoleń), powstaje kształt, który wyjaśnia obserwacje.
Metoda SAGE jest obliczeniowo bardzo wymagająca, w szczególności część
odpowiedzialna za generowanie krzywych zmian jasności. W celu przyspieszenia
czasu obliczeń syntetyczne obserwacje tworzone są na kartach graficznych przy
użyciu bibliotek OpenGL oraz CUDA. Inwersja kształtów jest prowadzona na
klastrze komputerowym 65 stacji roboczych.
Testy metody SAGE wykonano na czterech syntetycznych obiektach o różnych
kształtach i orientacjach osi obrotu. Zestawy sztucznych obserwacji obejmowały
różne zakresy kątów fazowych oraz kombinacje opozycji. Testy wykazały zdolność
SAGE do odtwarzania skomplikowanych kształtów, bez potrzeby wymogu wypukłości,
nawet dla małych kątów fazowych. Największy wpływ na sukces modelowania miała
konfiguracja opozycji, podczas których obiekty były obserwowane.
Kolejnym tematem poruszonym w niniejszej pracy jest obliczanie niepewności
modeli planetoid. Jest to zagadnienie dotychczas nieobecne w literaturze i
pomijane przez badaczy. Jakość modeli oceniana jest jedynie jakościowo na
podstawie arbitralnych kryteriów. Przedstawiona tutaj metoda oceny niepewności
polega na analizie wrażliwości modelu. Na podstawie badanego modelu tworzone są
klony o zaburzonych parametrach, po czym akceptowane są te spełniające określony
warunek zgodności. W efekcie powstaje stochastyczny model planetoidy, dzięki
któremu można obliczyć niepewności poszczególnych parametrów oraz objętości.
Metody SAGE oraz oceny niepewności zostały zastosowane na 18 obiektach. Część z
nich została odwiedzona przez sondy kosmiczne lub były obserwowane z wysoką
rozdzielczością przy użyciu optyki adaptacyjnej, co pozwoliło na bezpośrednie
porównanie i ocenę rezultatów modelowania.
The topic of this thesis is modelling non-convex shapes of asteroids, and assessing their uncertainties, based on photometry. Asteroid models make it possible to calculate volumes and densities of small Solar System Bodies. Density is the fundamental physical parameter, knowing which allows us to formulate conclusions about body's internal structure, chemical composition and genesis. The main source of information about asteroid shapes is photometry in visual bands: lightcurves and absolute magnitude measurements. The history of theoretical lightcurve analyses and the evolution of asteroid shape inversion techniques span over one hundred years. The first asteroid models were tri-axial ellipsoids. By properly orienting the spin axis it is possible to explain changes of amplitudes and magnitudes of a target observed on different ecliptic longitudes. Despite their simplicity these models proved to be a successful initial approximation and paved the way for more sophisticated methods. The convex lightcurve inversion method of was the true milestone. Despite generating convex shapes, which influences volume and density estimates, it can not only explain the global changes of lightcurves, but also their details. This work aims to create an inversion method capable of generating non-convex shapes, therefore allowing more precise volume estimations. The method presented here -- SAGE (Shaping Asteroid models using Genetic Evolution) -- is based on a genetic algorithm. Starting with a sphere and random rotation axis orientation a generation of mutated shapes is created in each iteration. The fittest model from a population, i.e. the one best explaining lightcurves, is chosen as a seed for the next generation. After hundreds of iterations of shape evolution, a model explaining observations is arrived at. SAGE method i computationally very demanding, especially the part responsible for generating lightcurves. Graphic cards as well as OpenGL and CUDA libraries are utilized in order to shorten the modelling time. The inversion process is run on a cluster of 65 workstations. Four synthetic asteroids and their observations were created for the purpose of testing SAGE. Sets of synthetic observations varied in phase angle coverage and distribution of apparitions on the orbit. The tests demonstrated SAGE's ability to recreate complex, non-convex shapes even for small phase angles. The configuration of apparitions had the biggest influence on the modeling success. Another topic discussed in this work is the assessment of asteroid models' uncertainty. It is neglected by researchers and not discussed in the literature. The quality of models is assessed only qualitatively based on arbitrary criteria. The proposed new approach is based on creating clones of the nominal model with random changes, in effect performing a sensitivity analysis. As a result, a stochastic model is produced allowing computation of model's parameters and volume uncertainty. Both SAGE and uncertainty assessment method were applied to 18 targets. Some of those have been visited by spacecrafts or have high resolution adaptive optics observations, which allowed for direct comparison with modelling results.
The topic of this thesis is modelling non-convex shapes of asteroids, and assessing their uncertainties, based on photometry. Asteroid models make it possible to calculate volumes and densities of small Solar System Bodies. Density is the fundamental physical parameter, knowing which allows us to formulate conclusions about body's internal structure, chemical composition and genesis. The main source of information about asteroid shapes is photometry in visual bands: lightcurves and absolute magnitude measurements. The history of theoretical lightcurve analyses and the evolution of asteroid shape inversion techniques span over one hundred years. The first asteroid models were tri-axial ellipsoids. By properly orienting the spin axis it is possible to explain changes of amplitudes and magnitudes of a target observed on different ecliptic longitudes. Despite their simplicity these models proved to be a successful initial approximation and paved the way for more sophisticated methods. The convex lightcurve inversion method of was the true milestone. Despite generating convex shapes, which influences volume and density estimates, it can not only explain the global changes of lightcurves, but also their details. This work aims to create an inversion method capable of generating non-convex shapes, therefore allowing more precise volume estimations. The method presented here -- SAGE (Shaping Asteroid models using Genetic Evolution) -- is based on a genetic algorithm. Starting with a sphere and random rotation axis orientation a generation of mutated shapes is created in each iteration. The fittest model from a population, i.e. the one best explaining lightcurves, is chosen as a seed for the next generation. After hundreds of iterations of shape evolution, a model explaining observations is arrived at. SAGE method i computationally very demanding, especially the part responsible for generating lightcurves. Graphic cards as well as OpenGL and CUDA libraries are utilized in order to shorten the modelling time. The inversion process is run on a cluster of 65 workstations. Four synthetic asteroids and their observations were created for the purpose of testing SAGE. Sets of synthetic observations varied in phase angle coverage and distribution of apparitions on the orbit. The tests demonstrated SAGE's ability to recreate complex, non-convex shapes even for small phase angles. The configuration of apparitions had the biggest influence on the modeling success. Another topic discussed in this work is the assessment of asteroid models' uncertainty. It is neglected by researchers and not discussed in the literature. The quality of models is assessed only qualitatively based on arbitrary criteria. The proposed new approach is based on creating clones of the nominal model with random changes, in effect performing a sensitivity analysis. As a result, a stochastic model is produced allowing computation of model's parameters and volume uncertainty. Both SAGE and uncertainty assessment method were applied to 18 targets. Some of those have been visited by spacecrafts or have high resolution adaptive optics observations, which allowed for direct comparison with modelling results.
Description
Wydział Fizyki
Sponsor
Keywords
planetoidy, inwersja, fotometria, niepewności, asteroids, inversion, photometry, uncertainty