Deep Mapping of Small Solar System Bodies with Galac9c - PowerPoint PPT Presentation

Deep ¡Mapping ¡of ¡Small ¡Solar ¡System ¡ Bodies ¡with ¡Galac9c ¡Cosmic ¡Ray ¡ Secondary ¡Par9cle ¡Showers ¡ T.H. ¡Pre@yman, ¡S.L. ¡Koontz, ¡L.S. ¡Pinsky, ¡A. ¡Empl, ¡ ¡ W. ¡Mendell, ¡ ¡D.W. ¡Mi@lefehldt, ¡B.D. ¡Reddell, ¡M.V. ¡Sykes ¡ ¡ 2013 ¡NASA ¡Innova9ve ¡Advanced ¡Concepts ¡(NIAC) ¡Phase ¡I ¡

NIAC ¡Program ¡at ¡a ¡glance ¡ • Objec9ve ¡of ¡the ¡program ¡is ¡to ¡“transform ¡ science ¡fic9on ¡into ¡reality” ¡ • Phase ¡I ¡– ¡small ¡amount ¡of ¡funding ¡for ¡system ¡ studies ¡to ¡explore ¡risky ¡concepts ¡and, ¡if ¡ warranted ¡to ¡develop ¡a ¡follow ¡on ¡proposal ¡ • 12 ¡Phase ¡I ¡proposals ¡out ¡of ¡a ¡few ¡hundred ¡ were ¡funded ¡this ¡year ¡ • h@p://www.nasa.gov/directorates/spacetech/ niac/ ¡

Project ¡Background ¡ • Informa9on ¡on ¡the ¡porosity, ¡density ¡distribu9on ¡and ¡internal ¡ structure ¡of ¡comets ¡and ¡small ¡asteroids ¡would ¡provide ¡powerful ¡ constraints ¡on ¡their ¡forma9on, ¡evolu9on ¡and ¡impact ¡history. ¡ ¡ ¡ – This ¡informa9on ¡would ¡also ¡be ¡useful ¡in ¡developing ¡planetary ¡defense ¡ strategies. ¡ • For ¡example, ¡physical ¡processes ¡within ¡cometary ¡nuclei ¡(ven9ng ¡ mechanisms ¡& ¡transport ¡of ¡vola9les ¡within ¡their ¡interiors) ¡are ¡ poorly ¡understood. ¡ ¡ • Internal ¡structure ¡must ¡be ¡inferred ¡from ¡surface ¡morphology ¡and ¡ other ¡observa9ons. ¡ ¡Methods ¡to ¡directly ¡image ¡the ¡interior ¡of ¡these ¡ objects ¡are ¡sought. ¡

Comets ¡ 81P/Wild ¡2 ¡(NASA/Stardust, ¡2004) ¡ Rubble-­‑pile: ¡One ¡of ¡several ¡hypotheses ¡for ¡ the ¡structure ¡of ¡cometary ¡nuclei. ¡Ar9st’s ¡ concep9on ¡from ¡Weissman ¡& ¡Lowry ¡(2008). ¡ Tidal ¡disrup9on ¡of ¡Shoemaker-­‑Levy ¡9 ¡(NASA/HST) ¡ ¡supports ¡the ¡ “rubble ¡pile” ¡hypothesis ¡ ¡(Weissman ¡& ¡Lowry, ¡2008) ¡

Concept ¡ • Planetary ¡surfaces ¡and ¡atmospheres ¡are ¡exposed ¡to ¡a ¡ steady ¡rain ¡of ¡high ¡energy ¡par9cles ¡(baryons), ¡known ¡as ¡ Galac9c ¡Cosmic ¡Rays ¡(GCRs). ¡ • A ¡shower ¡of ¡secondary ¡par9cles ¡(hadrons ¡and ¡leptons) ¡is ¡ produced ¡when ¡GCRs ¡interact ¡with ¡nuclei ¡near ¡the ¡surface. ¡ • Muons, ¡a ¡component ¡of ¡the ¡electromagne9c ¡shower, ¡can ¡ penetrate ¡km-­‑scale ¡structures. ¡ • The ¡interiors ¡of ¡small ¡bodies ¡and ¡surface ¡structures ¡could ¡ be ¡mapped ¡with ¡high ¡spa9al ¡resolu9on ¡using ¡a ¡muon ¡ telescope ¡deployed ¡in ¡close ¡proximity ¡(in ¡situ ¡or ¡from ¡orbit). ¡

25143 ¡Itokawa ¡ 500 ¡m ¡

Muon ¡radiography/tomography ¡ Muons ¡can ¡penetrate ¡large ¡distances ¡through ¡rock, ¡ while ¡undergoing ¡minimal ¡deflec9on ¡by ¡mul9ple ¡ Asteroid ¡Itokawa ¡ coulomb ¡sca@ering. ¡ (JAXA/Hyabusa) ¡ 2 ¡ 4 ¡ θ 0 ¡ 3 ¡ µ -­‑ ¡ ~500 ¡m ¡ 1 ¡ 1. Galac9c ¡cosmic ¡ray ¡primary ¡ 2. Ini9al ¡direc9on ¡of ¡high-­‑energy ¡muon ¡( µ -­‑ ) ¡ 3. Exit ¡direc9on ¡ 4. Detec9on ¡by ¡orbi9ng ¡par9cle ¡telescope ¡

Technical ¡Approach ¡ • Use ¡high ¡energy ¡physics ¡codes ¡(e.g. ¡FLUKA ¡& ¡MCNPX) ¡ to ¡determine ¡the ¡produc9on ¡rate ¡of ¡secondary ¡ par9cles, ¡such ¡as ¡muons, ¡in ¡regolith ¡materials. ¡  Validate ¡the ¡codes ¡against ¡experimental ¡data ¡for ¡extended ¡ air ¡showers. ¡ • Inves9gate ¡concepts ¡for ¡space-­‑based ¡muon ¡telescopes. ¡ • Simulate ¡muon ¡radiographic ¡imaging ¡and ¡tomography ¡ of ¡small ¡airless ¡bodies ¡and ¡surface ¡structures ¡on ¡Mars. ¡

Feasibility? ¡ Internal ¡structure ¡of ¡Satsuma-­‑Iojima ¡volcano ¡ Muons ¡produced ¡in ¡extended ¡air ¡ using ¡a ¡1 ¡m 2 ¡ ¡ muon ¡telescope ¡ ¡(Tanaka ¡et ¡al., ¡ showers ¡have ¡been ¡used ¡to ¡map ¡the ¡ 2010) ¡ interior ¡of ¡large ¡structures ¡on ¡Earth. ¡ <1.75 ¡ >1.96 ¡ Challenges ¡for ¡space ¡applica9ons: ¡ Density ¡(g/cm 3 ) ¡ • Is ¡the ¡produc9on ¡rate ¡of ¡muons ¡in ¡solid ¡ surfaces ¡and ¡thin ¡atmospheres ¡sufficient ¡to ¡ meet ¡imaging ¡requirements? ¡ • Can ¡muons ¡be ¡separately ¡measured ¡from ¡ other ¡par9cles ¡in ¡the ¡space ¡environment ¡by ¡a ¡ ~0.5 ¡km ¡ telescope ¡that ¡can ¡be ¡deployed ¡on ¡a ¡ planetary ¡mission? ¡ • For ¡airless ¡bodies, ¡can ¡interior ¡structures ¡be ¡ separated ¡from ¡surface ¡features? ¡ 2 ¡km ¡

Project ¡Status ¡ • The ¡project ¡is ¡concluding ¡a ¡compara9ve ¡study ¡of ¡muon ¡ produc9on ¡by ¡high ¡energy ¡galac9c ¡cosmic ¡rays ¡(500 ¡GeV ¡– ¡ 10 ¡TeV) ¡in ¡planetary ¡atmospheres ¡and ¡the ¡solid ¡surfaces ¡of ¡ airless ¡bodies ¡ • Preliminary ¡results ¡confirm ¡that ¡muon ¡produc9on ¡by ¡pion ¡ decay ¡is ¡strongly ¡suppressed ¡in ¡solid ¡bodies; ¡alterna9ve ¡ produc9on ¡mechanisms ¡are ¡being ¡inves9gated ¡ • Results ¡of ¡this ¡effort ¡will ¡be ¡presented ¡at ¡the ¡NIAC ¡annual ¡ mee9ng ¡(February) ¡along ¡with ¡an ¡assessment ¡of ¡feasibility ¡