Ilmakehättömistä kappaleista singonneen pölyn tiheysjakauman puolianalyyttinen mallintaminen

Avaruudessa pienistä hiukkasista käytetään yleensä nimitystä pöly. Pölyllä on tärkeä rooli monissa Aurinkokunnan prosesseissa: se toimii todisteena asteroidien ja komeettojen muodostumisesta sekä mahdollisesti elinkelpoisten ympäristöjen koostumuksesta Maan ulkopuolella. Viime vuosikymmeninä useat avaruusluotaimet ovat keränneet tietoa pölystä. Näiden havaintojen täysipainoinen hyödyntäminen edellyttää luotettavia ja tehokkaita menetelmiä emäkappaleita ympäröivien pölypilvien muodon ja kehityksen analysointiin.
Sen sijaan että yksittäisten pölyhiukkasten liikkeitä seurattaisiin erikseen — mikä on laskennallisesti kallis mutta kosmisen pölyn tutkimuksessa yleinen menetelmä — kehitimme matemaattisen lähestymistavan, jossa pölyä käsitellään jatkuvasti jakaantuneen aineen pilvenä, jonka ominaisuudet kuvataan tilastollisesti. Tämä lähestymistapa mahdollistaa nopean ja joustavan analyysin, kun tietyt oletukset hallitsevista voimista pätevät. Tähän perustuen kehitimme kaksi ohjelmistotyökalua: toisen planeettojen kuista irtoavalle pölylle, jolloin kuun painovoima on pääasiallinen pölyn dynamiikkaan vaikuttava tekijä, ja toisen asteroideista ja komeetoista lähtevälle pölylle, jonka liikettä ohjaavat Auringon painovoima ja säteilypaine.
Ensimmäistä työkalua sovelsimme Saturnuksen kuun Enceladuksen tutkimukseen. Tämä kuu on jäävulkaanisesta aktiivisuudestaan tunnettu pieni jäinen kappale. Enceladus kiinnostaa astrobiologeja, sillä sen jääkuoren alla on nestemäistä vettä, ja sen sisältä purkautuneen aineksen kemiallinen koostumus on ollut Cassini-luotaimen mittauksien kohteena. Cassinin aineiston perusteella mallinsimme Enceladuksen pölypilveä, esittäen parannetun arvion pölyn tuotantonopeudelle sekä eri kemiallisen koostumuksen omaavien pölyhiukkasten suhteelliselle osuudelle.
Toista työkalua käytettiin vuoden 1996 suuren komeetan, Hyakutaken, pölyhännän mallintamiseen sen lähestyessä Aurinkoa, sekä Maan lähellä kulkevan asteroidin Phaethonin pöly-ympäristön tutkimiseen. Tämä asteroidi liittyy Geminidien meteoriparveen ja on Japanin avaruusjärjestön DESTINY+ -luotaimen tutkimuskohde. Arvioimme, kuinka paljon pölyä luotaimen pölyinstrumentti kerää lähestyessään Phaethonia.
Tulevaisuutta ajatellen tässä väitöskirjassa kuvatut menetelmät ja tulokset voivat edistää ymmärrystämme monien Aurinkokunnan pienkappaleiden pöly-ympäristöistä.