Une collaboration entre l'Université de Nagoya et la TU Braunschweig révèle que lorsque les projectiles frappent des amas de poussière ou des amas durs de billes de verre lâches, les lois d'échelle pour la dissipation d'énergie et le transfert d'énergie sont les mêmes dans chaque cas. Cela aide à comprendre comment les touffes granulaires se collent les unes aux autres, et comment les planètes se forment.

Les amas granulaires sont des phénomènes courants :lors de la préparation d'un gâteau dans la cuisine, la farine forme des grumeaux. Agglomérés de poussières poreuses, qui sont des touffes de touffes de grains de poussière, sont considérés comme des matériaux de construction dans la formation des planètes. Mais pour révéler comment se forment les planètes, le comportement physique de ces amas de poussière doit être bien compris. En particulier, leur réponse lorsqu'ils sont touchés par des projectiles est la clé car les conditions provoquant le collage induit par l'impact, rebondir, fracturation, etc, doit être connue pour établir un modèle plausible de formation planétaire. Étant donné que les agglomérats de poussières poreuses peuvent être considérés comme des matières granulaires, les propriétés physiques de base de la matière granulaire sont cruciales pour la construction du modèle. Une approche pour apprendre la dynamique d'impact granulaire liée au processus de formation planétaire est l'observation directe, c'est-à-dire mener des expériences sur Terre qui simulent l'environnement spatial.

Hiroaki Katsuragi, un expert en physique granulaire de l'Université de Nagoya, et Jürgen Blum de la Technische Universität Braunschweig l'ont fait. Blum a construit une tour de chute où des conditions de microgravité et de vide sont réalisées pour imiter l'environnement dans l'espace (Figure 1, la gauche). Ils ont tiré du plastique, projectiles de plomb et de verre de différentes tailles sur des amas de poussières molles et fragiles, ainsi qu'en vrac, touffes denses de billes de verre relativement rigides. L'équipe a ensuite soigneusement analysé l'expansion induite par l'impact (Figure 1, à droite) et a trouvé des preuves des lois universelles d'échelle de transfert et de dissipation d'énergie. En outre, l'équipe a découvert que les lois d'échelle sont applicables non seulement aux amas d'agglomérats poreux mais aussi aux amas de billes de verre denses.

Katsuragi, explique :« Le résultat est utile pour comprendre en profondeur le processus de formation des planètes. En même temps, on s'étonne de l'accord de la dynamique d'expansion entre les amas poreux (fragiles) et les amas denses (rigides). Réellement, les amas poreux sont constitués de minuscules grains de poudre agglutinés, et ces amas de plusieurs tailles sont eux-mêmes regroupés. Nous avons constaté que ce type de structure hiérarchique n'affecte pas la dynamique induite par l'impact."

Cette étude relie la physique de la formation planétaire et la formation de touffes à travers l'expérience en microgravité. La tour de chute utilisée dans l'étude est unique en ce que les expériences d'impact de courte durée peuvent être facilement répétées à faible coût. L'équipe de collaboration interdisciplinaire est également unique. Hiroaki Katsuragi est un physicien granulaire et Jürgen Blum est un physicien planétaire et tous deux partagent l'objectif commun de comprendre l'impact de la matière granulaire poreuse et dense.

Katsuragi dit, « Nous connaissons tous les amas de poudre :ils se forment chaque fois que nous faisons un gâteau avec de la farine. Néanmoins, la physique des amas - de la matière granulaire hiérarchique - n'a pas été bien étudiée jusqu'à présent. Cette étude pourrait ouvrir une nouvelle direction de recherche en physique de la matière granulaire. »