En 2005, le vaisseau spatial Hayabusa développé par l'Agence japonaise d'exploration aérospatiale (JAXA) a atterri sur Itokawa, un petit astéroïde géocroiseur nommé d'après le célèbre spécialiste des fusées japonais Hideo Itokawa. L'objectif de la mission sans pilote était d'étudier l'astéroïde et de collecter un échantillon de matériau à renvoyer sur Terre pour analyse. Contrairement aux prédictions scientifiques selon lesquelles les petits astéroïdes sont des pépites stériles de roche, des photographies prises par le vaisseau spatial Hayabusa ont révélé que la surface d'Itokawa est parsemée de particules de différentes tailles. Encore plus déconcertante était la séparation latérale des petites et des grosses particules - avec de gros rochers occupant les hautes terres et de petits cailloux occupant les basses terres.

Chercheurs de l'Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University (OIST), Japon, en collaboration avec des chercheurs de l'Université Rutgers, ETATS-UNIS, ont utilisé une combinaison d'expériences, simulations et analyses pour proposer un mécanisme sous-jacent au tri latéral par taille des particules sur Itokawa :les petits cailloux frappant la surface d'Itokawa rebondissent sur les rochers mais s'enfoncent dans des régions riches en cailloux.

Le tri par taille des particules sur Itokawa était autrefois attribué à l'effet de la noix du Brésil (BNE) dans lequel des particules de différentes tailles se séparent lors d'une secousse verticale soutenue en présence de gravité. Semblable au phénomène dans lequel secouer une boîte de granola fait monter de grosses grappes à la surface et que de plus petites avoines coulent au fond, de gros rochers remontent à la surface des amas de décombres d'astéroïdes, tandis que les petits cailloux coulent. Mais même si le BNE peut rendre compte de blocs rocheux remontant à la surface, il n'explique pas la ségrégation latérale observée des particules.

"En collaboration avec des chercheurs de l'Université Rutgers, nous avons trouvé une raison plus simple et plus viable pour le tri par taille des particules sur Itokawa, " dit le professeur Pinaki Chakraborty, chef de l'Unité de Mécanique des Fluides de l'OIST.

Les résultats, à publier dans Lettres d'examen physique donner un aperçu de la formation et de l'évolution des petits astéroïdes, offrant une fenêtre sur les premiers stades du système solaire.

A partir des photographies, on peut observer que les volumes de blocs et de galets à la surface d'Itokawa sont comparables, ce qui signifie qu'il doit y avoir beaucoup plus de cailloux par nombre. Il s'ensuit que la plupart des collisions qui ont formé l'astéroïde ont dû provenir de petites particules. Ceci est important car lorsqu'un caillou frappe un rocher, il rebondit, alors que lorsqu'il heurte une mer d'autres cailloux, son élan meurt. Les chercheurs ont prédit que ce processus – qu'ils ont appelé « tri balistique » – pourrait sous-tendre le phénomène de tri par taille d'Itokawa.

Pour tester cela expérimentalement, des chercheurs de l'Université Rutgers ont déposé des particules de sable sur une plaque en céramique pour modéliser des cailloux entrant en collision avec des rochers et d'autres cailloux. Ils ont observé que lorsque des particules de sable frappent la plaque, ils rebondissent, mais quand ils ont heurté un monticule de sable, ils s'agrègent, conduisant à la croissance des tas de sable.

"Ces premières expériences montrent que le sable qui tombe rebondit sur les rochers, mais reste près des régions sablonneuses, " explique le professeur Troy Shinbrot de l'Université Rutgers et auteur principal de l'étude.

Prochain, Le professeur Shinbrot et ses collègues ont laissé tomber des particules de sable sur des pierres placées au hasard au fond d'une boîte. Mesurer la taille des îles de sable au fil du temps, l'équipe a montré que la superficie des îles augmente selon l'équation de Hill, qui est utilisé pour décrire les processus dans lesquels une accumulation initiale favorise une accumulation supplémentaire.

Afin de tester si ces résultats expérimentaux s'appliquent à Itokawa - qui a une gravité beaucoup plus faible que la Terre - le Dr Tapan Sabuwala de l'unité de physique du continu de l'OIST, a mené des simulations informatiques dans lesquelles il a fait varier la gravité et quantifié l'effet de tri balistique en laissant tomber des cailloux sur un substrat de rochers et de cailloux et en suivant la trajectoire de chaque caillou. Il a découvert que les cailloux qui frappent les rochers voyagent plus loin que les cailloux qui frappent d'autres cailloux, indépendamment de l'attraction gravitationnelle.

"Nos simulations confirment que les mers de galets se développent parce que les galets entrants rebondissent sur les pierres mais entrent en collision de manière inélastique avec d'autres galets, ", explique le Dr Sabuwala. "Nous constatons également que le tri balistique conduit à la formation de mers de galets plats dans les vallées gravitationnelles."

Basé à la fois sur des expériences et des simulations, l'équipe a conclu que le dépôt à faible vitesse de cailloux entraîne une croissance prévisible des mers de cailloux.

"Nous pensons que le tri balistique peut être le mécanisme dominant sous-jacent au tri par taille des particules sur de petits astéroïdes comme Itokawa, " explique le professeur Shinbrot. " Les plus gros astéroïdes peuvent également subir un tri balistique, mais parce qu'ils sont plus sensibles aux impacts à haute énergie et à d'autres facteurs perturbant le paysage, la situation est plus compliquée."

Imagerie préliminaire de l'astéroïde Bennu, qui est comparable en taille à Itokawa, suggère qu'il présente également une ségrégation de taille latérale des particules sur sa surface. Une exploration de Bennu dirigée par la NASA à partir de 2018 devrait donner de plus amples informations sur l'étendue du tri balistique.

"Nos recherches peuvent être utiles pour les prochaines missions spatiales, en particulier pour guider les atterrissages réussis d'engins spatiaux sur des astéroïdes, " explique le professeur Chakraborty. " En plus de la mission sur l'astéroïde Bennu, la mission Hayabusa 2 de la JAXA en cours sur l'astéroïde Ryugu et la prochaine mission dirigée par la NASA sur les astéroïdes troyens de Jupiter, dont le lancement est prévu en 2021, pourraient bénéficier de cette nouvelle découverte."