Figure 1. Le canon à gaz horizontal à deux étages situé à l'Université de Kobe.
Un groupe de recherche de l'Université de Kobe a démontré que la chaleur générée par l'impact d'un petit corps astronomique pourrait permettre une altération aqueuse et la formation de solides organiques à la surface d'un astéroïde. Ils y sont parvenus en menant d'abord des expériences de cratère d'impact à grande vitesse en utilisant un matériau cible semblable à un astéroïde et en mesurant la distribution de chaleur post-impact autour du cratère résultant. A partir de ces résultats, ils ont ensuite établi une règle empirique pour la température maximale et la durée du chauffage, et développé un modèle de conduction thermique à partir de cela.
Le groupe de recherche était composé des membres suivants de la Graduate School of Science de l'Université de Kobe; Conférencier YASUI Minami, TAZAWA Taku (étudiant en 2e année de master au moment de la recherche), HASHIMOTO Ryohei (alors en 4ème année de licence à la Faculté des Sciences) et le Professeur ARAKAWA Masahiko, en plus du chercheur principal associé du JAXA Space Exploration Center, OGAWA Kazunori (qui était un spécialiste technique à l'Université de Kobe au moment de l'étude).
Ces résultats ont élargi la plage spatiale et temporelle sur laquelle les conditions nécessaires à l'altération aqueuse et à la formation de solides organiques pourraient se produire. Cela devrait augmenter considérablement le nombre de corps astronomiques potentiels qui auraient pu apporter de l'eau et les origines de la vie sur Terre.
Ces résultats de recherche ont été publiés dans la revue scientifique britannique Communications Terre et Environnement le 18 mai, 2021.
Points principaux
Figure 2. Exemple de changements thermiques :L'axe des abscisses indique le temps écoulé, 0 étant le moment de l'impact. L'axe des y montre les différences de température depuis le pré-impact. Cet impact a été fait par un projectile en aluminium avec une vitesse d'impact de 4,3 km/s. Les différentes lignes colorées indiquent la distance entre le point d'impact et les thermocouples. La durée est le temps qu'il faut pour que la température maximale baisse de moitié. La photo montre le cratère d'impact. Des thermocouples ont été intégrés dans la cible.
Fond de recherche
On pense que l'eau et les substances organiques nécessaires au début de la vie sur Terre sont le résultat d'une comète ou d'un astéroïde impactant la planète. Des minéraux et des substances organiques ayant subi une altération aqueuse ont été découverts dans des météorites (d'où proviennent les astéroïdes), fournissant la preuve qu'ils contenaient autrefois de l'eau. Cependant, une source de chaleur est nécessaire aux réactions chimiques qui provoquent l'altération aqueuse et la formation de solides organiques à l'intérieur des astéroïdes.
Une source de chaleur suffisamment forte est le chauffage de désintégration radioactive de 26 Al, un nucléide radioactif à courte durée de vie trouvé à l'intérieur des roches. Cependant, il est dit que le chauffage radioactif qui a causé l'altération aqueuse et la formation solide sur les corps parents des astéroïdes (*4) n'aurait pu se produire qu'au début de l'histoire du système solaire en raison de la courte demi-vie de 26 Al (720, 000 ans).
Dans les années récentes, la théorie selon laquelle la chaleur d'impact générée lorsqu'un petit corps astronomique heurte un astéroïde pourrait également être une source de chaleur viable a commencé à attirer l'attention. Cependant, on ne sait pas combien de chaleur est générée en fonction des caractéristiques du corps astronomique (taille, densité, vitesse d'impact) et à quelle distance dans l'astéroïde cette chaleur générée est transmise. Jusqu'à maintenant, aucune étude n'a étudié expérimentalement ce processus de génération et de propagation de chaleur pour déterminer si l'altération aqueuse et la formation de substances organiques seraient possibles.
Figure 3. A. Relation entre la température maximale et la distance sans dimension. B. Relation entre durée et distance sans dimension. La durée est mise à l'échelle par le temps de diffusion thermique (*6). Les couleurs indiquent différents projectiles et vitesses d'impact :PC est une sphère en polycarbonate d'un diamètre de 4,7 mm et Al est une sphère en aluminium d'un diamètre de 2 mm.
Méthodologie de recherche
Ce groupe de recherche a mené des expériences en laboratoire pour étudier la relation entre la chaleur d'impact générée sur un astéroïde (à la suite de l'impact d'un petit corps astronomique) et les caractéristiques de l'impact. Pour la cible, ils ont utilisé du gypse (un minéral poreux composé de sulfate de calcium dihydraté) pour imiter un astéroïde. Ils ont accéléré les projectiles sur la cible à des vitesses d'impact élevées comprises entre 1 km/s et 5 km/s à l'aide du canon à gaz horizontal à deux étages de l'Université de Kobe (Figure 1). Plusieurs thermocouples ont été placés dans la cible de gypse afin de mesurer les changements de température après l'impact. Dans cette série d'expériences, les chercheurs ont changé la taille, densité, la vitesse d'impact des projectiles et les positions des thermocouples afin d'étudier les différences de durée de chaleur en fonction des caractéristiques de l'impact (Figure 2).
À partir du graphique de durée de chaleur, le groupe de recherche a étudié la température maximale et sa durée, et examiné comment cela était lié aux caractéristiques d'impact (Figure 3). En utilisant la distance sans dimension obtenue en normalisant la distance du point d'impact (où le projectile a touché la cible) par le rayon du cratère, ils ont réussi à déterminer comment la température maximale et sa durée sont modifiées par les caractéristiques d'impact et ont élaboré une règle empirique pour cela. En construisant par la suite un modèle de conduction thermique intégrant cette règle empirique, leur a permis de calculer la répartition de la chaleur autour du cratère formé à la surface de l'astéroïde (Figure 4). Le groupe de recherche a vérifié les résultats numériques du modèle de conduction thermique par rapport aux données sur la chaleur et la durée requises pour l'altération aqueuse et la formation de solides organiques obtenues à partir d'analyses antérieures de météorites. Ces résultats ont montré qu'une altération aqueuse pourrait se produire si un cratère d'un rayon de plus de 20 km se formait à moins de 2au du soleil. En outre, ils ont estimé que même un petit cratère d'un rayon de 100 m sur un astéroïde à moins de 4au pourrait chauffer jusqu'à 100 degrés Celsius, ce qui signifie qu'il pourrait soutenir la formation de solides organiques. La plupart des astéroïdes sont situés à moins de 4 au. Les chercheurs ont également découvert que si un cratère d'un rayon de plus de 1 km se forme à moins de 2au, la circonférence du cratère peut chauffer jusqu'à 0 degré Celsius (la température à laquelle la glace devient eau), permettant ainsi la formation de solides organiques.
Figure 4. Distribution de la chaleur autour du fond du cratère des corps parents d'astéroïdes calculée à l'aide du modèle de conduction thermique :les lignes pointillées sont des courbes de niveau isothermes. Les nombres qui rencontrent les courbes de niveau isothermes indiquent la valeur obtenue lors de la normalisation de la distance du point d'impact par le rayon du cratère.
Développements ultérieurs
On pense que le chauffage de la désintégration radioactive de 26 Al déclenche les réactions chimiques d'altération aqueuse et de formation de solides organiques sur les astéroïdes. Cependant, cet échauffement ne peut se produire qu'à proximité du noyau d'astéroïdes relativement gros mesurant des dizaines de kilomètres de diamètre. Par ailleurs, on dit que cela n'aurait pu se produire que dans un million d'années après la formation du soleil en raison de la courte demi-vie de 26 Al. D'autre part, les collisions entre astéroïdes se produisent encore aujourd'hui, et il est possible que de telles collisions réchauffent la surface même des petits astéroïdes, à condition que l'impact ne détruise pas l'astéroïde lui-même. En d'autres termes, ces résultats de recherche montrent que le potentiel des astéroïdes à soutenir l'altération aqueuse et la formation de solides organiques est temporairement et spatialement bien plus grand qu'on ne le pensait auparavant. Cela contribuera à un nombre accru de corps astrologiques considérés comme des candidats qui ont apporté l'eau et les substances organiques pour le début de la vie sur Terre.
Ensuite, le groupe de recherche espère examiner des échantillons provenant de missions d'exploration d'astéroïdes menées non seulement par le Japon mais également par d'autres pays. Si des minéraux ou des substances organiques altérés par l'eau devaient être découverts dans les échantillons prélevés, cela pourrait fournir des preuves des effets du chauffage par impact.
