Constraining physical characteristics of near-Earth Asteroids using Arecibo legacy radar data and optical observations

Abstract

Los pequeños cuerpos del Sistema Solar, como los asteroides y cometas, constituyen remanentes primordiales de su formación. En las últimas décadas, el estudio de estos objetos, en particular aquellos que se aproximan a la Tierra, se ha visto considerablemente potenciado gracias al avance de las técnicas de detección y seguimiento. El descubrimiento y la catalogación de la mayoría de los objetos potencialmente peligrosos (PHOs, por sus siglas en inglés) han mejorado significativamente nuestra capacidad de anticipar posibles impactos.

La formación de cráteres por impacto es un proceso común en el Sistema Solar, y la Tierra no está exenta de este fenómeno. No obstante, la mera detección de estos cuerpos no basta: es imprescindible contar con predicciones orbitales precisas y un conocimiento detallado de sus propiedades físicas para poder desarrollar estrategias de desviación eficaces.

En este contexto, la caracterización física y dinámica de los objetos cercanos a la Tierra (NEOs, por sus siglas en inglés) ha pasado de ser un interés meramente cosmológico a convertirse en un componente esencial de la defensa planetaria.

Durante más de cinco décadas, el Observatorio de Arecibo en Puerto Rico desempeñó un papel fundamental en estos estudios, gracias a su sistema de radar planetario. Aunque las instalaciones científicas han sido clausuradas, los datos obtenidos han sido puestos a disposición de la comunidad y siguen siendo de gran valor científico.

En esta tesis se presenta un esfuerzo de catalogación de todos los objetos detectados mediante radar en Arecibo, con un total que supera los 800 asteroides cercanos a la Tierra (NEAs, por sus siglas en inglés). Así como el uso de algunas de estas observaciones para ampliar el conocimiento de las características físicas de estos cuerpos.

El trabajo se estructura como una compilación de artículos publicados en revistas científicas, centrados en la caracterización física y dinámica de un subconjunto de NEAs observados con el radar de Arecibo.

El primer artículo, “Caracterización Radar y Óptica del Asteroide Cercano a la Tierra 2019 OK”, demuestra la notable capacidad de respuesta del sistema de observación y la precisión de la técnica radar. Con apenas unos minutos de datos, fue posible asegurar la órbita del objeto durante los próximos dos siglos. Se determinó que se trata de un rotador extremadamente rápido, con un período de rotación de entre 3 y 5 minutos.

El segundo artículo, “Los Rotadores Más Rápidos: Asteroides Cercanos a la Tierra Observados con el Sistema de Radar Planetario de Arecibo”, analiza un subconjunto de NEAs con períodos de rotación inferiores a 10 minutos. En este estudio se comparan parámetros derivados de observaciones ópticas y radar, encontrando en general una buena concordancia entre ambas metodologías.

Finalmente, el tercer artículo, “2020 BX12: El Último Asteroide Binario Descubierto en Arecibo”, presenta el modelado de la forma y características físicas de este objeto potencialmente peligroso (PHA). Se determinó un período de rotación cercano a la barrera crítica para el cuerpo primario. Asimismo, los datos obtenidos durante su aparición de 2024 con el Gran Telescopio Canarias (10.4 m) permitieron obtener un espectro compatible con la clasificación taxonómica esperada, según la polarización circular medida por radar.

Small solar system bodies, such as asteroids and comets, constitute primordial remnants of its formation. During the last decades, these objects have become increasingly available to study, particularly those that enter near-Earth space due to the advancement of detection and follow-up techniques. With the discovery and cataloging of most Potentially Hazardous Objects (PHO), our ability to anticipate possible impacts has significantly improved.

Impact cratering is a ubiquitous process in the solar system, and Earth is not exempt from this phenomena. However, detection alone is not enough: without accurate orbit prediction and knowledge of an object's physical properties, we cannot develop effective deflection strategies.

In this context, the physical and dynamical characterization of near-Earth objects (NEO) has grown into a rapidly advancing field—evolving from purely cosmological interest to a cornerstone of planetary defense.

For over five decades the Arecibo Observatory in Puerto Rico served as a key facility for these studies, via its planetary radar system instrumentation. Even with the closure of the facilities, the data endures and are available to the scientific community and continue to be of great scientific value.

In this thesis we present an effort to catalog all the objects detected at the Arecibo Observatory with its Planetary Radar System, which includes over 800 NEAs. As well as the use of some of these observations to enhance our knowledge of physical characteristics of these objects.

This thesis is presented as a compilation of peer-reviewed articles pertaining to the physical and dynamical characterization of a subset of NEAs observed with the AO Planetary Radar System.

The first article: “Radar and Optical Characterization of Near-Earth Asteroid 2019 OK”, demonstrates the adaptability in observation scheduling and the impressive precision of the radar technique. With just a few minutes of data, the reported astrometry secured its orbit for the next two centuries. This object was found to be a very fast rotator, having a rotation period of 3–5 minutes.

The next publication: “The Fastest Rotators: Near-Earth Asteroids Observed with the Arecibo Planetary Radar System”, studies a subset of NEAs with rotation periods less than 10 minutes. In this work we compare optical and radar derived parameters, and find, in general, both methodologies to be in good agreement.

The last publication included: “2020 BX12 – The Last Binary Asteroid Discovered at Arecibo”, presents the analysis and shape modeling of this PHA. A rotation period typical of the population, close to the spin barrier, is found for the primary. Data acquired during the 2024 apparition using the Gran Telescopio Canarias (10.4 m) provided a spectrum which is in agreement with the expected taxonomy based on the radar-derived circular polarization.