Studio di processi collegati al rilascio di volatili da superfici planetarie

Planets Mars and Mercury represent two keystones for the current and future exploration of the Solar System. While the Red planet is an extremely interesting body for both its astrobiological and future human exploration potential, the exploration of Mercury is a promising path for answering many unresolved science questions about the formation and evolution of rocky planets and the occurrence of puzzling geological surface features. To investigate these topics, at the time of writing of this thesis, five new space missions begun their scientific activity at Mars, both from orbit and in-situ, and a new mission has been launched to Mercury, the third-one since the NASA’s Mariner10 probe in the 70s and the NASA’s MESSENGER mission in 2011. The scientific work presented in this thesis has been carried out in the framework of two of the above missions, the ExoMars/Trace Gas Orbiter (TGO) spacecraft currently orbiting Mars and the BepiColombo probe, currently en-route to Mercury, both supported by the European Space Agency (ESA). In particular, we investigate currently not well understood landforms on Mars and Mercury, possibly related to the release of volatiles materials from the surface, with the aim of getting insights on their nature and characterise the formation mechanism. This body of work encompasses two planetary bodies each having his own, dataset and analytical techniques, and it is therefore presented in two parts: the first one concerning Mars, and the second one about Mercury. On Mars, we specifically investigate the nature and formation mechanisms of martian Recurring Slope Lineae (RSL). Since 2010, RSL represented one of the major science questions concerning present-day Mars surface processes. Many studies brought up evidence that they could be related to the release of liquid water at the surface of Mars, while other reported that RSL could be best interpreted as dry processes. Their formation mechanism has been more tightly constrained only very recently. This was possible also thanks to the first observations of RSL performed by the CaSSIS instrument on board the ESA’s ExoMars/TGO, together with coordinated images from the HiRISE camera on board the NASA/MRO mission. Such observations and their analysis represent the core of the research work here presented on Mars. In addition, we could constrain the RSL nature and formation mechanism thanks to a novel methodology for the analysis of colour images of the surface of Mars, also presented in this thesis. The second part of focuses on Mercury, where we investigate the nature and formation mechanism of hollows, puzzling surface features identified by the NASA’s MESSENGER mission. The nature and formation mechanism of these features is still an open question, and it will be one of the major science topics that the ESA/BepiColombo mission will investigate through the SIMBIO-SYS suite of instruments. By combining a high-resolution camera, spectrometer and stereo-camera, this instrument will allow to investigate the geomorphological, spectrophotometrical and 3D properties of hollows at high resolution, providing unprecedented datasets to analyse and interpret. In preparation for these unique datasets, we present a spectrophotometric characterisation of selected hollows sites based on data from the MESSENGER mission and we discuss its implication on their nature and formation mechanisms.

Marte e Mercurio rappresentano due pianeti chiave per l'attuale e futura esplorazione del Sistema Solar. Mentre il pianeta rosso è estremamente interessante dal punto di vista astrobiologico della sua futura esplorazione umana, l'esplorazione di Mercurio è fondamentale per rispondere a molteplici aspetti non ancora chiari sulla formazione ed evoluzione dei pianeti rocciosi e sull'origine di alcune strutture geologiche. Per rispondere a questi quesiti, sin dall'inizio di questo progetto di tesi, cinque missioni spaziali hanno iniziato la loro attività scientifica su Marte, sia orbita che in situ, e una nuova missione è stata lanciata alla volta di Mercurio, la terza dopo le missioni Mariner 10 negli anni 70 e MESSENGER nel 2011 lanciata de parte della NASA. Il lavoro scientifico presentato in questa tesi è stato portato avanti nel contesto di due delle missioni sopra citate. La missione ExoMars/Trace Gas Orbiter (TGO), attualmente in orbita marziana, e la missione BepiColombo, attualmente in fase di crociera verso Mercurio. Entrambe le missioni sono supportate dall' Agenzia Spaziale Europea (ESA). Nello specifico, vengono analizzate strutture geologiche non ancora ben comprese sulle superfici di Marte e Mercurio, che potrebbero essere collegate al potenziale rilascio di composti volatili dalla superficie, con lo scopo di comprenderne meglio l'origine e il meccanismo di formazione. Questo lavoro di tesi concerne due corpi planetari caratterizzati da specifici dataset e tecniche di analisi; di conseguenza, è presentato in due parti: la prima riguardante Marte, e la seconda riguardante Mercurio. Su Marte viene studiato il problema dell'origine e della formazione delle Recurring Slope Lineae (RSL). Sin dal 2010, le RSL rappresentano uno dei topic scientifici più dibattuti per quanto concerne i processi superficiali in atto su Marte al tempo attuale. Diversi studi concludono che le RSL potrebbero essere dovute al rilascio di acqua liquida dalla superficie di Marte, mentre altri lavori sostengono che esse siano meglio spiegate da flussi di materiale granulare secco. Il meccanismo di formazione è stato caratterizzato con più precisione solamente di recente. Ciò è stato possibile anche grazie alle prime osservazioni delle RSL effettuate dallo strumento CaSSIS a bordo della missione ESA ExoMars/TGO, in coordinazione con osservazioni effettuate dalla camera HiRISE a bordo della missione MRO della NASA. Queste osservazioni e la loro analisi rappresentano gran parte del lavoro presentato in questa tesi circa il pianeta Marte. Oltre a ciò, attraverso una nuova tecnica per l'analisi delle immagini a colori della superficie di Marte, è stato possibile ottenere dei vincoli circa la nature e la formazione delle RSL. La seconda parte di questa tesi riguarda il pianeta Mercurio, dove vengono studiati gli hollows, enigmatiche strutture geologiche superficiali identificate dalla missione MESSENGER. La natura e il meccanismo di formazione degli hollows sono ancora poco compresi, e saranno uno dei topic scientifici più importanti che la missione ESA/BepiColombo affronterà tramite lo strumento SIMBIO-SYS. Combinando una camera ad alta risoluzione, uno spettrometro e una stereocamera, questo strumento permetterà di osservare la superficie di Mercurio e studiarne la composizione e topografia ad alta risoluzione, fornendo dati di qualità scientifica senza precedenti. In prospettiva delle future analisi effettuate tramite SIMBIO-SYS, è stata effettuata una caratterizzazione spettrofotometrica di due regioni ricche di hollows, basata su dati MESSENGER, con l'obiettivo di comprenderne meglio la natura e il meccanismo di formazione.