Investigations on the dynamics of minor planets with Gaia: Orbites, masses et physique fondamentale

The ESA astrometric mission Gaia, due for a launch in 2011, will observe 350,000 asteroids brighter than V = 20 with an unprecedented positional precision (at the sub-milliarcsecond level for single observation). The aim of this thesis is the investigation of the science that Gaia will allow with such precise observations of asteroids and the elaboration of reduction methods for treating this future huge pool of data, in particular regarding mass determination. In the first part, we relate the characteristics of the Gaia mission and the state-of-the-art of the current asteroid mass determination. The second part describes the selection of the interesting close approaches between the few massive asteroids (perturbers) and numerous smaller asteroids (targets) in order to analyse the resulting orbital perturbations and thus, to derive the masses of the perturbers from global processing detailed in the third chapter. The expected number of asteroid masses and their associated precisions are given from realistic simulated data between 2011 and 2016. Besides, the expected precisions on the orbital elements of the targets are presented. The fourth and fifth chapters open tracks on the fundamental science from the asteroid positions with the possible derivation of the solar quadrupole moment J2, the PPN parameters β, γ, the Nordtvedt parameter η, the variation of the gravitational constant dG/dt and a study of the so-called Yarkovsky effect. The two last chapters illustrate the contribution of asteroid mass determination by Gaia to several fields of the astronomy through a study about the perturbers of Mars and the hypothetical law between density and taxonomic class.La mission de l’agence spatiale européenne Gaia, dont le lancement est prévu en 2011, observera 350 000 astéroïdes avec une précision inégalée (au niveau du milli-arseconde).Le but de la thèse est l’investigation de la science que les données très précises de Gaia permettront de traiter et l’élaboration des méthodes de réduction notamment pour la détermination de masses des astéroïdes. Dans le premier chapitre, nous présentons la mission Gaia et une synthèse de la détermination de masses des astéroïdes jusqu’à nos jours. La seconde partie décrit la sélection des passages proches entre les astéroïdes massifs (perturbateurs) et les plus petits (cible) afin d’analyser les perturbations orbitales résultantes, qui permettront d’estimer la masse des perturbateurs à partir d’un traitement global, détaillé dans le chapitre 3. Le nombre de masses attendues et la précision de leur mesure sont donnés à partir de données simulées réalistes. De plus, la précision sur les éléments osculateurs des astéroïdes cibles est présentée. Les chapitres 4 et 5 abordent des questions de physique fondamentale, avec la détermination de l’aplatissement dynamique du soleil J2, des paramètres relativistes β, γ et celui de Nordtvedt η la variation de la constante de gravitation, et aussi de paramètres physiques de certains astéroïdes à partir de leur sensibilité à l’effet Yarkovsky. Les deux derniers chapitres illustrent la contribution de Gaia avec les masses d’astéroïdes dans différents domaines de l’astronomie : une étude a été menée sur les astéroïdes les plus perturbateurs de Mars et sur l’amélioration de la loi hypothétique entre densité et classe taxonomique