Quelle est la dimension d'un cratère produit par un impact sur un astéroïde

Publié par Redbran le 29/03/2020 à 14:00
Source: CNRS INSU

Ryugu ©JAXA / Daniel Macháček
L'impact artificiel produit par la mission spatiale Hayabusa2 sur l'astéroïde Ryugu: un cratère bien plus grand que prédit !

Quelle est la dimension d'un cratère produit par un impact sur un astéroïde (Un astéroïde est un objet céleste dont les dimensions varient de quelques dizaines de mètres à plusieurs kilomètres et qui, à la différence d’une comète, tourne autour du...) avec une énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.) donnée (Dans les technologies de l'information (TI), une donnée est une description élémentaire, souvent codée, d'une chose, d'une transaction d'affaire, d'un événement, etc.) ? Pour la première fois, la mission japonaise Hayabusa2 a effectué à plus de 300 millions de km de la Terre (La Terre est la troisième planète du Système solaire par ordre de distance croissante au Soleil, et la quatrième par taille et par masse...) un impact artificiel à haute vitesse (On distingue :) sur un astéroïde en Avril 2019. Un article publié dans Science (La science (latin scientia, « connaissance ») est, d'après le dictionnaire Le Robert, « Ce que l'on sait pour l'avoir appris, ce que l'on tient pour vrai au sens large....) (1) co-écrit par Patrick Michel (Université Côté d'Azur, Observatoire de la Côte d'Azur, CNRS (Le Centre national de la recherche scientifique, plus connu sous son sigle CNRS, est le plus grand organisme de recherche scientifique public français (EPST).), Laboratoire Lagrange), membre de cette mission et de cette expérience, décrit son succès et le résultat obtenu. Le cratère ( Pour le cratère d'origine volcanique, voir Cratère volcanique Pour le cratère d'origine météoritique, voir Cratère d'impact Pour le cratère formé à la suite d'un effondrement d'origine souterrainne (érosion, mine,...) a une dimension (Dans le sens commun, la notion de dimension renvoie à la taille ; les dimensions d'une pièce sont sa longueur, sa largeur et sa profondeur/son épaisseur, ou...) bien plus grande que celle prédite, indiquant que la gravité (La gravitation est une des quatre interactions fondamentales de la physique.) de l'astéroïde, pourtant très faible, et non sa résistance mécanique (Dans le langage courant, la mécanique est le domaine des machines, moteurs, véhicules, organes (engrenages, poulies, courroies, vilebrequins, arbres de transmission, pistons, ...), bref, de tout ce...) a été le paramètre (Un paramètre est au sens large un élément d'information à prendre en compte pour prendre une décision ou pour effectuer un calcul.) influençant la production de ce cratère ... et qu'il y encore des recherches passionnantes à mener pour comprendre la physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la « science de la nature ». Dans un sens général et ancien, la physique désigne la connaissance...) des cratères sur ces petits corps.

La sonde (Une sonde spatiale est un vaisseau non habité envoyé par l'Homme pour explorer de plus près des objets du système solaire et, pour certaines,...) japonaise Hayabusa2 de la JAXA (L'agence d'exploration aérospatiale japonaise (en japonais ?????????? — uch? k?k? kenky? kaihatsu kik? —, souvent dénommée par sa traduction anglaise Japan...) a rendu (Le rendu est un processus informatique calculant l'image 2D (équivalent d'une photographie) d'une scène créée dans un logiciel de modélisation 3D comportant à la fois des objets et des sources de...) visite à l'astéroïde Ruygu de juin 2018 à novembre 2019 et a enchaîné les succès en déposant pour la première fois des mini-rovers et un atterrisseur (Un atterrisseur (lander en anglais) désigne en dans le domaine de l'astronautique un engin spatial embarqué dans un véhicule spatial destiné à se poser...) CNES-DLR (Mascot) sur la surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a plusieurs acceptions, parfois objet géométrique, parfois frontière physique, et est souvent abusivement confondu avec sa mesure,...) d'un astéroïde, en effectuant avec succès deux récoltes d'échantillons et une expérience d'impact à haute vitesse. Elle est actuellement sur son trajet de retour vers la Terre pour déployer en décembre 2020 la capsule contenant les échantillons précieux qu'elle a récoltés dans l'atmosphère (Le mot atmosphère peut avoir plusieurs significations :) terrestre afin qu'ils arrivent sur Terre et soient analysés dans nos laboratoires. Potentiellement riches en matière organique (La matière organique (MO) est la matière carbonée produite en général par des êtres vivants , végétaux, animaux, ou micro-organismes. Il s'agit...) et en matière (La matière est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible. Ses trois états les plus communs sont l'état solide, l'état liquide, l'état gazeux. La matière occupe de l'espace et...) primitive, ils nous fourniront des données essentielles sur la composition initiale du système Solaire (Le système solaire est un système planétaire composé d'une étoile, le Soleil et des corps célestes ou objets définis...), sur la formation des planètes et sur la contribution des petits corps dans l'émergence de la vie (La vie est le nom donné :) sur Terre.

Les données d'Hayabusa (2) nous permettent d'explorer un nouveau territoire (La notion de territoire a pris une importance croissante en géographie et notamment en géographie humaine et politique, même si ce concept est utilisé par d'autres sciences humaines. Dans le dictionnaire de géographie...), dans un environnement (L'environnement est tout ce qui nous entoure. C'est l'ensemble des éléments naturels et artificiels au sein duquel se déroule la vie humaine. Avec les enjeux écologiques actuels, le terme environnement tend actuellement...) bien différent de celui de la Terre du fait de la petite taille de l'astéroïde de 1 km de diamètre (Dans un cercle ou une sphère, le diamètre est un segment de droite passant par le centre et limité par les points du cercle ou de la...). Elles indiquent notamment que Ryugu, très peu dense (à peine plus que l'eau (L’eau est un composé chimique ubiquitaire sur la Terre, essentiel pour tous les organismes vivants connus.) !), est un agglomérat de roches liées entre elles par leur propre attraction. Par ailleurs, la surface est couverte de gros rochers, de tailles allant jusqu'à 160 m et d'une couche de régolithe composée de roches et de grains plus petits soumis à un régime de très faible gravité, étant donnée (Dans les technologies de l'information, une donnée est une description élémentaire, souvent codée, d'une chose, d'une transaction, d'un...) la petite dimension de l'astéroïde (accélération gravitationnelle ~ 10^-5 gravité terrestre). Cette surface devrait avoir une résistance mécanique non négligeable (1 kPa) causée par les forces de cohésion entre les grains du régolithe. Les cratères d'impact formés dans ces conditions sont en principe limités en taille par cette résistance de surface, qui réduit le diamètre attendu du cratère comparé à celui produit sur une surface sans résistance.

Les modélisations numériques d'impact et des lois d'échelles reposant sur l'extrapolation des données d'expériences d'explosions sur Terre sont utilisées pour prédire la taille d'un cratère produit par un impact à haute vitesse. Cette prédiction est fondamentale (En musique, le mot fondamentale peut renvoyer à plusieurs sens.) car le nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre grammatical ».) et la taille des cratères sur un astéroïde (dont Ruygu) sont couramment utilisés pour dater les surfaces et donc estimer l'âge de l'objet (De manière générale, le mot objet (du latin objectum, 1361) désigne une entité définie dans un espace à trois dimensions, qui a une fonction précise, et qui peut être désigné...). Cependant, différentes lois d'échelles donnent des âges très différents, par plus d'un ordre de grandeur. Il est donc essentiel de pouvoir calibrer la relation entre taille d'un projectile (ou énergie d'impact) et taille du cratère résultant. Cette relation est cruciale pour l'estimation des âges de surface. Malheureusement, il est impossible d'effectuer cette calibration sur Terre, tant les conditions d'attraction de surface sur un astéroïde sont différentes et impossibles à reproduire, à moins de faire l'expérience sur le corps lui-même.

La sonde Hayabusa2 est équipée d'un instrument appelé le Small Carry-on Impactor (SCI) conçu pour lancer un projectile en cuivre (Le cuivre est un élément chimique de symbole Cu et de numéro atomique 29. Le cuivre pur est plutôt mou, malléable, et présente sur ses surfaces fraîches...) de 2 kg à une vitesse de 2 km/s sur la surface de Ryugu pour former un cratère artificiel. L'objectif est de révéler la sous-surface de l'astéroïde pour l'observer avec les autres instruments équipant la sonde, et pour y récolter un échantillon (De manière générale, un échantillon est une petite quantité d'une matière, d'information, ou d'une solution. Le mot est utilisé dans différents domaines :). Il est aussi de vérifier notre compréhension de la physique de la cratérisation à l'échelle réelle d'un astéroïde, en effectuant une comparaison avec les modélisations numériques d'impact et les lois d'échelles, et ainsi d'effectuer une estimation bien plus robuste de l'âge de l'astéroïde.

Une telle opération effectuée pour la première fois est extrêmement délicate mais en même temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.) extraordinaire à vivre, comme le raconte Patrick Michel qui a pu y assister en direct depuis la salle d'opération de la JAXA, et fut accomplie avec succès le 5 avril 2019. L'impact et l'évolution de la matière éjectée ont été simultanément observés pendant plus de 8 minutes ( Forme première d'un document : Droit : une minute est l'original d'un acte. Cartographie géologique ; la minute de...) (Fig. 2) par une petite caméra (Le terme caméra est issu du latin : chambre, pour chambre photographique. Il désigne un appareil de prise de vues animées, pour le cinéma, la télévision ou la vidéo.) appelée DCAM3 déployée par la sonde avant que l'impact ne soit effectué et avant que celle-ci aille se cacher derrière l'astéroïde pour se protéger. Trois semaines environ après l'impact, la sonde Hayabusa2 est revenue sur le site afin d'identifier le cratère à l'aide de sa caméra de navigation (La navigation est la science et l'ensemble des techniques qui permettent de :) optique (L'optique est la branche de la physique qui traite de la lumière, du rayonnement électromagnétique et de ses relations avec la vision.) télescopique depuis une altitude (L'altitude est l'élévation verticale d'un lieu ou d'un objet par rapport à un niveau de base. C'est une des composantes géographique et biogéographique qui explique la...) de 1.7 km (Fig. 1) avec une résolution de ~17 cm/pixel.


Figure 1 - Images du cratère artificiel. (A) Surface aux environs du point d'impact avant impact prise depuis une altitude de 1.72 km. Les blocs rocheux mobile (MB) et stable (SB) sont indiqués avec des flèches. (B) Même région après l'impact observée depuis la même altitude. (C) Image améliorée de la localisation de l'impact avec le cratère indiqué par le demi-cercle en pointillés jaunes. Le rectangle (En géométrie, un rectangle est un quadrilatère dont les quatre angles sont des angles droits.) blanc (Le blanc est la couleur d'un corps chauffé à environ 5 000 °C (voir l'article Corps noir). C'est la sensation visuelle obtenue avec un spectre lumineux continu, d'où...) D indique la région de la Figure 1D. (D) Image du cratère prise depuis une altitude de 115 m. Un petit fossé est indiqué par le cercle (Un cercle est une courbe plane fermée constituée des points situés à égale distance d'un point nommé centre. La valeur de...) en pointillé.

Le cratère se situe dans la partie nord (Le nord est un point cardinal, opposé au sud.) de la boursouflure équatoriale caractéristique de l'astéroïde Ryugu et l'angle (En géométrie, la notion générale d'angle se décline en plusieurs concepts apparentés.) d'impact du projectile est estimée à 60° de l'horizontal (Horizontal est une orientation parallèle à l'horizon, et perpendiculaire à la verticale. Une ligne horizontale va « de la gauche vers la droite » ou vice versa.) de la surface locale. En comparant les images prises avant et après l'impact depuis une altitude similaire de la sonde, la formation du cratère est évidente et il est possible de comprendre comment celle-ci s'est produite (voir Fig. 1). En particulier, une douzaine de rochers d'au moins quelques dizaines de centimètres de taille ont été déplacés sur la surface, et un gros bloc de 5 mètres (appelé MB sur la Fig. 1) a été excavé et s'est déplacé de 3 mètres vers le Nord-Ouest (Le nord-ouest est la direction entre les points cardinaux nord et ouest. Le nord-ouest est opposé au sud-est.) et à plus d'1 mètre (Le mètre (symbole m, du grec metron, mesure) est l'unité de base de longueur du Système international (SI). Il est défini, depuis 1983, comme la distance parcourue par la lumière dans le vide en...) au-dessus de la surface initiale par l'impact. Un autre gros bloc (appelé SB sur la Fig. 1) n'a en revanche pas bougé et il est possible qu'il ait arrêté la croissance du cratère vers la partie Sud-Est (Le sud-est est la direction à mi-chemin entre les points cardinaux sud et est. Le sud-est est opposé au nord-ouest.).

Au final, le cratère a la forme d'un demi-cercle, à cause de la roche (La roche, du latin populaire rocca, désigne tout matériau constitutif de l'écorce terrestre. Tout matériau entrant dans la composition du sous-sol est formé par un...) SB qui a empêché une partie de sa croissance. Son diamètre est de l'ordre de 15 mètres (Fig. 1). De plus, les images spectaculaires prises 5 secondes après l'impact jusqu'à 500 secondes par DCAM3 (Fig. 2) montrent un rideau asymétrique de matière éjectée qui évolue vers le Nord de la surface, dont une partie à très faible vitesse.

La taille du cratère et la matière éjectée (Fig. 2), en particulier ses faibles vitesses, sont caractéristiques d'un cratère formé dans un matériau (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets. C'est donc une matière de base sélectionnée en...) sans cohésion, contrôlé uniquement par la gravité locale, même si elle est extrêmement faible. Les lois d'échelles développées pour extrapoler les résultats d'impacts en laboratoire dans lesquelles on annule la cohésion aboutissent à une taille du cratère équivalente à celle mesurée. En revanche, aune (L'aune – du latin ulna, l'os ulna – est une unité de longueur de quatre pieds. Cette ratio est attestée depuis la fin de l'Antiquité dans le traité métrologique Gromatici veteres.) modélisation numérique (Une information numérique (en anglais « digital ») est une information ayant été quantifiée et échantillonnée, par opposition à une information dite...) n'est actuellement capable de calculer l'intégralité du processus, et donc de prédire correctement la taille du cratère dans ces conditions, ce qui démontre de la nécessité de poursuivre les recherches dans ce domaine.


Figure 2 - Images prises par la camera DCAM3 de l'impact artificiel. Les images sont prises 5 secondes (A), 36 secondes (B), 100 seconds (C) 192 secondes (D), 396 secondes (E) et 498 secondes (F) après l'impact. L'échelle (barre sur les images) de 25 mètres a été calibrées en utilisant la distance entre les roches labélisées b1 et B2 sur la Fig. 2A.

Si cette interprétation est correcte et peut être extrapolée à l'ensemble (En théorie des ensembles, un ensemble désigne intuitivement une collection d’objets (les éléments de l'ensemble), « une multitude qui peut être comprise comme un tout », comme...) de l'astéroïde, elle indique que la surface de Ryugu réagit comme du sable (Le sable, ou arène, est une roche sédimentaire meuble, constituée de petites particules provenant de la désagrégation d'autres roches dont la dimension est comprise entre 0,063 et 2 mm.) sans cohésion. Cette expérience fournit donc un unique moyen de mesurer les propriétés mécaniques de l'astéroïde. De plus, elle oblige à réviser les premières estimations de l'âge de la surface de Ryugu basées uniquement sur les images de surface et sur une loi d'échelle incluant la cohésion qui donnaient un âge allant de 10 millions à 160 millions d'années selon les hypothèses. Cet âge de surface ne serait que de quelques centaines de milliers d'années, ce qui a de nombreuses implications sur la formation et l'histoire de Ryugu. Cela montre le grand intérêt de pouvoir faire une expérience dans les bonnes conditions, et ces informations seront enrichies par l'analyse des échantillons rapportés.

Notes:
(1) Arakawa, M., et al. 2020. An artificial impact on the asteroid 162173 Ryugu formed a crater in the gravity-dominated regime. Science, First release, March 19th, 2020
(2) S. Sugita et al., The geomorphology, color, and thermal properties of Ryugu: Implications for parent-body processes. Science 364, eaaw0422 (2019). doi: 10.1126/science.aaw0422


Contact:
Patrick Michel - Chercheur (Un chercheur (fem. chercheuse) désigne une personne dont le métier consiste à faire de la recherche. Il est difficile de bien cerner le métier de chercheur tant les domaines de recherche sont diversifiés et impliquent d'importantes...) CNRS - michelp at oca.eu
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