En développant un cadre d’échelle général pour la résistance des astéroïdes granulaires, des chercheurs ont montré que la surface de Bennu pourrait être 50 fois plus meuble que du café moulu. La résistance des astéroïdes dépendrait notamment de la cohésion entre les grains qui les composent, mais également de la taille de ces derniers et de leur forme. Le modèle appliqué aux données issues des échantillons de Bennu conduit à une estimation de la résistance à la traction de la surface inférieure à 1 pascal.
Des observations spatiales récentes et des missions de retour d’échantillons ont montré qu’au moins certains astéroïdes ne sont pas des solides compacts, mais plutôt des agglomérats de poussières, de roches et de blocs, principalement maintenus par leur propre gravité, avec une contribution supplémentaire des forces de cohésion et d’adhésion entre les particules. Parmi ces astéroïdes figurent Bennu, Ryugu, Itokawa, ainsi que Didymos et Dimorphos, tous mesurant moins de 1 km de diamètre.
La stabilité d’un astéroïde granulaire dépend également de sa vitesse de rotation. En effet, un amas tournant trop vite pourrait rapidement se désintégrer, en particulier pour les astéroïdes de grande taille dont l’agglomération des grains dépend principalement de la gravité. En revanche, les petits astéroïdes peuvent échapper à cette limite, car la cohésion entre les grains ne diminue pas avec la taille de l’astéroïde aussi rapidement que sa gravité. Elle peut ainsi devenir la principale force contribuant à leur cohésion.
Une grande partie des informations disponibles sur la structure interne des astéroïdes provient d’observations indirectes de leur surface, de leur forme et de leur dynamique. En conséquence, leurs propriétés globales ont été déduites de manière indirecte, notamment à partir des champs gravitationnels externes ou des schémas de fragmentation pour les astéroïdes actifs.
Pour mieux comprendre ces propriétés, un groupe international de chercheurs a développé un cadre d’échelle général qui permet d’estimer la résistance des astéroïdes granulaires. Leurs résultats, publiés dans la revue Nature Communications, suggèrent que leur résistance mécanique peut être prédite à partir de la taille et la forme des grains qui les composent.
Une mécanique à l’échelle des grains
Lors de travaux antérieurs, les chercheurs ont montré que les petits grains peuvent servir de ciment maintenant les plus gros blocs et gravats ensemble. Les simulations précédentes ne pouvaient cependant pas encore générer des formes de grains réalistes. En effet, les grains naturels ne sont pas parfaitement sphériques, mais se présentent sous de nombreuses formes irrégulières.
Les échantillons de l’astéroïde Bennu collectés par la mission OSIRIS-REx de la NASA en 2023 ont permis de modéliser les objets granulaires avec plus de précision. Pour effectuer leurs simulations, les chercheurs de la nouvelle étude ont modélisé un petit fragment de Bennu.
Pour ce faire, ils ont placé une matrice de petits grains cohésifs — le matériau fin qui relie les gros morceaux entre eux — entre deux gros blocs d’un mètre de diamètre chacun, formant ainsi un pont. En tirant sur les blocs jusqu’à la rupture du pont, on obtient une mesure de la résistance de l’objet à la traction mécanique.
L’équipe a effectué au total 78 simulations, dont certaines avec des grains parfaitement sphériques et d’autres avec des particules polyédriques présentant 10 géométries différentes, allant de formes presque sphériques à des formes fortement allongées ou aplaties. La taille des grains était comprise entre 2 et 5 centimètres, aussi bien dans les lots homogènes que dans les lots mixtes.
« L’idée originale a été suggérée par le Dr Michael R. Swift (Université de Nottingham, Royaume-Uni), qui était mon directeur de thèse et qui était venu à Boulder pour une visite », explique Paul Sánchez, auteur principal de l’étude et chercheur associé principal à l’Université du Colorado à Boulder, à Phys.org.
« Il nous fallait déterminer l’effet que de petites particules cohésives pouvaient avoir dans un astéroïde, mais simuler toutes les particules nécessaires était (et reste) impossible. L’idée a donc été de s’inspirer des ponts liquides que l’eau forme sur Terre entre de minuscules grains de sable. »
Les résultats ont montré que la résistance dépendait à la fois de la taille des grains et de leur sphéricité. Plus les grains étaient petits, plus le pont était résistant. Mais ce dernier était également moins résistant lorsque les grains étaient majoritairement sphériques. Cela s’expliquerait par le fait que les grains anguleux disposent de davantage de surfaces de contact que les grains sphériques. Les deux effets peuvent toutefois se compenser : un pont constitué de gros grains anguleux peut présenter une résistance comparable à celle d’un pont constitué de petits grains plus arrondis.
Dispositif de simulation. a) Pont granulaire mécaniquement stable pour α₁ = α₂ = 1 et d ∈ [4, 5] cm. b) Évolution des ponts granulaires en fonction de la taille des particules. c) Vue agrandie illustrant la rupture progressive du pont granulaire pour α₁ = α₂ = 1 et d ∈ [4, 5] cm, de l’état initial à la rupture complète. d) Diversité des formes polyédriques utilisées dans l’étude, caractérisées par différents rapports d’aspect. © Paul Sánchez et al.
Une surface plus fragile qu’elle n’en a l’air
En utilisant les forces de cohésion mesurées sur les grains des échantillons de Bennu, les chercheurs ont constaté que la résistance de sa surface serait inférieure à 1 pascal (Pa). « Si vous façonnez un petit cylindre avec du café fraîchement moulu, sa résistance est d’environ 50 Pa et vous pouvez encore y faire un trou avec un seul doigt. La surface de Bennu est 50 fois plus faible que cela », compare Sánchez.
D’après les chercheurs, ces résultats pourraient contribuer aux stratégies de défense planétaire. « Notre théorie est liée à la taille des particules, à leur distribution granulométrique et à la porosité. Elle pourrait fournir une première approximation de la résistance à la traction et de la cohésion des astéroïdes. Ce sont des paramètres matériels fondamentaux pour les codes qui simulent les impacts sur les astéroïdes, la seule méthode éprouvée pour étudier la déviation des astéroïdes », a expliqué Sánchez.
Dans la suite de leurs travaux, les chercheurs prévoient d’appliquer leur cadre à une gamme plus étendue de tailles de grains et à l’intérieur des astéroïdes, pas seulement à leur surface.
