THE IMPORTANCE OF BEING A CRATER: A TOOL IN PLANETARY SURFACE ANALYSIS AND DATATION

This PhD thesis has been realized within the project of STC/SIMBIOSYS, the stereo channel composing the imaging system on board of the BepiColombo mission to Mercury and providing the global mapping in stereo mode of the Hermean surface. As the aim of this work is supporting the definition of the scientific requirements of STC, the impact craters have been recognized as the surface structure to be investigated, being the most important and common landform of any planetary body with a solid surface, but meanwhile far to be yet completely understood. This thesis addresses to explore the importance of impact crater structure as a tool in investigating a variety of aspects of planetary bodies, whose remote sensing data is the only available information. Earth as well can take advantage from studying such a rarely occurring, complicated and highly dynamic process, as the combining effects of erosion, tectonics and volcanism can hide impact structures. The first theme turns to impact craters not as an individual entity, but as a population of features on planetary surfaces, in particular Mercury. The cratering records, being the result of a long–repeated meteorite bombardment history, can be used to infer surface age after the application of a chronological model to statistical analysis. The data recently acquired by the MESSENGER mission during its three flybys with this planet were the starting point to study two new basins, i.e. Raditladi and Rachmaninoff. The MPF chronological model has been adopted to derive the crater retention age for these basins, whose impact events turned out to occur well after the LHB, posing some puzzles to the current impactor sources in the inner Solar System. In addition, Rachmaninoff interior plains could be emplaced in a very recent period (360 Ma ago), suggesting a long–lasting volcanism up to recent time, and hence a revision to our current knowledge on the thermal state of the planet is proposed The second theme of my thesis addresses the investigation of the impact formation process. The current understanding of impact cratering as a whole has come from a suite of experimental, morphological, analytical and numerical studies. However, shocks codes represent one of the only feasible methods for studying impact craters, as they can simulate a large span of conditions beyond the reach of experiments, in addition to analyze the individual effect of any parameters acting during the impact event. I have used iSALE shock code to simulate two craters, coming from a completely different environment, the Earth and one asteroid, recently observed by a space mission. In the first case, the knowledge of the surrounding area where the structure is located allowed to study in detail the impact crater collapse mechanism that origins a large crater. On the other hand, the good relatively knowledge of the formation of a simple crater allowed to investigate the composition and the structure of the asteroid. In both cases, the numerical modelling of the impact process has demonstrated to be a powerful tool to deepen our comprehension on the Solar System.

Questa tesi di dottorato è stata realizzata nell’ambito del progetto di STC/SIMBIOSYS, il canale stereo appartenente al sistema di imaging che a bordo della missione spaziale BepiColombo avrà l’obiettivo di fornire la mappatura globale della superficie di Mercurio in modalità stereo. Poiché lo scopo di questa tesi è di supportare la definizione dei requisiti scientifici della stereo camera, lo studio dei crateri da impatto è stato selezionato come argomento fondamentale. I crateri da impatto sono infatti la più importante e più diffusa morfologia su qualsiasi corpo planetario dotato di una superficie solida, ma allo stesso tempo non ancora completamente compresi. Questa tesi vuole esplorare l’importanza dei crateri da impatto come tool nell’investigazione di una varietà di aspetti riguardanti i corpi planetari, dei quali si hanno a disposizione solo un numero esiguo di informazioni. Tuttavia, anche nel caso della Terra, per la quale si possiede una grande quantità di dati, lo studio di questo processo altamente dinamico può portare ad una migliore conoscenza del nostro pianeta e delle forze che tutt’ora lo modellano. Il primo tema di questa tesi riguarda lo studio dei crateri da impatto non come un’entità singola, ma una popolazione di oggetti presenti sulle superfici planetarie, in particolare quella di Mercurio. La craterizzazione su di una superficie è il risultato di una lunga storia di bombardamento meteoritico, e può essere quindi usato per derivare l’età di quella superficie, se si applica un modello cronologico basato sull’analisi statistica dei crateri. I dati recentemente acquisiti dalla missione MESSENGER durante i suoi tre flyby con questo pianeta sono stati l’incipit per lo studio di due nuovi bacini, Raditladi e Rachmaninoff. Si è quindi adottato il modello cronologico MPF per derivare l’età in cui si sono formati questi due bacini. Il risultato di questa analisi è che entrambe le strutture si sono originate in un periodo successivo all’LHB, ponendo interrogativi sulle attuali sorgenti di impattori, considerando la notevole dimensione di queste due strutture d’impatto. Inoltre, le piane interne di Rachmaninoff potrebbero essere molto giovani (360 Ma fa), suggerendo un prolungato vulcanismo, e, a sua volta, una revisione delle nostre attuali conoscenze sullo stato termico di questo pianeta. Il secondo tema di questa tesi riguarda lo studio del processo di formazione di un impatto. La nostra attuale comprensione di un evento di impatto viene principalmente da studi sperimentali, morfologici, analitici e numerici. Tuttavia, gli shock code rappresentano l’unico procedimento che permette sia di esplorare condizioni non raggiungibili in laboratorio, sia di capire l’influenza di ciascuna variabile durante il processo di impatto. In questa testi, si è usato iSALE per simulare due crateri, provenienti da due ambienti molto diversi, il nostro pianeta e un asteroide recentemente osservato da una missione spaziale. Nel primo caso, la buona conoscenza della regione dove è collocato il cratere ha permesso di approfondire il meccanismo che sta alla base del collasso di un cratere di grandi dimensioni. Invece, nel secondo caso, era il processo di formazione ad essere meglio conosciuto, dal momento che si trattava di una struttura semplice, e quindi la simulazione numerica è stata finalizzata a investigare la possibile composizione e struttura superficiale di questo asteroide. In entrambi i casi, la modellizzazione numerica del processo di impatto si è dimostrato un capace tool per migliorare la nostra conoscenza del Sistema Solare.