Une équipe internationale de chercheurs coordonnée par des chercheurs français, dont Marco Delbo, chargé de recherche CNRS, et Guy Libourel, professeur ainsi que Patrick Michel, directeur de recherche CNRS, Clément Ganino et Chrystèle Verati, maîtres de conférence à l’Université de Nice Sophia Antipolis, en collaboration avec des chercheurs d’institutions américaines1, a démontré pour la première fois qu’un mécanisme appelé fatigue thermique permet d’expliquer la présence d’une couche de particules fines (appelée régolite) observée systématiquement à la surface des petits astéroïdes et qui restait à élucider.
Les missions spatiales et les observations depuis la Terre ont en effet montré que les astéroïdes de taille inférieure à quelques kilomètres (environ 1000 astéroïdes plus grands que 1 kilomètre croisent la trajectoire de la Terre) ont leur surface systématiquement couverte par une couche de matériau à grains fins (comme du sable ou du gravier) dont la taille varie de quelques mm à quelques cm, communément appelée régolite.
Traditionnellement, la formation de ce régolite sur les astéroïdes résulterait des impacts de (micro)-météorites heurtant fréquemment la surface et produisant des petits fragments qui, en retombant, par accumulation, forment une couche de régolite à grains fins, comme l’ont montré dans le cas de la Lune les missions Apollo. Or dans le cas d’un astéroïde, ce mécanisme pourrait ne pas être aussi efficace. En effet, l’attraction de surface d’un astéroïde de par sa petite taille est extrêmement faible et ne souffre aucune comparaison avec celle de la Lune bien plus grande. Par conséquent le matériau éjecté lors des impacts sur un astéroïde devrait s’échapper au lieu de retomber à la surface. Contrairement au cas de la Lune, les débris produits par les impacts ne peuvent donc pas être la principale source de régolite sur les petits astéroïdes.
Les chercheurs ont démontré expérimentalement qu’un autre mécanisme, appelé fatigue thermique, peut causer la formation de débris plus fins à la surface des astéroïdes. La fatigue thermique est un mécanisme connu sur Terre qui, en induisant une dilatation thermique dans un matériau, produit une contrainte mécanique qui peut aboutir avec le temps à la fracturation. A la surface d’un astéroïde, cette fatigue se produit du fait des forts gradients de température jour/nuit induits par l’ensoleillement (Fig. 1). Les chercheurs ont effectué des expériences de fatigue thermique en laboratoire en utilisant des météorites (fragments d’astéroïdes récoltés sur Terre). Ils ont mesuré, en utilisant une technique de tomographie numérique, la croissance des fractures dans celles-ci après une série de cycles de température tels que ceux subis par les astéroïdes. Ils ont ensuite développé un modèle numérique de fracturation, validé par confrontation aux expériences, qui leur a permis d’extrapoler ces résultats sur des échelles de temps identiques à celles de la durée de vie des astéroïdes (plusieurs millions d’années). Leurs résultats ont montré que dans les mêmes conditions que celles rencontrées sur les petits astéroïdes, la fatigue thermique est un processus très efficace pour fragmenter une roche et la transformer en un régolite de particules fines.
Cette découverte fournit ainsi une explication à la présence du régolite observé systématiquement à la surface des petits corps (Fig. 2), et a des implications fortes sur l’évolution et la connaissance de la surface des astéroïdes, ainsi que sur leur temps de vie. Notamment, le télescope spatial WISE a observé une grande pénurie des petits astéroïdes géocroiseurs composés de matière primitive (carbonée) et relativement friables, qui passent très près du Soleil. Cette pénurie restait jusqu’alors inexpliquée. L’efficacité démontrée de la fatigue thermique pour éroder les roches d’autant plus que celles-ci passent à faible distance du Soleil fournit une explication à cette pénurie et ainsi aide à mieux contraindre le nombre et la nature des petits corps qui nous entourent.
Ce résultat a une portée beaucoup plus générale car il fournit une nouvelle compréhension des propriétés physiques des populations de petits corps (restes des briques qui ont formé nos planètes) et de leurs évolutions dans différentes régions du Système Solaire. De plus, la connaissance des propriétés de surface des astéroïdes est cruciale pour la préparation des missions spatiales robotiques et humaines vers des petits corps. Elle s’avère essentielle en effet pour concevoir des mécanismes efficaces d’extraction d’échantillons, pour déposer des modules d’exploration in-situ, et pour concevoir des stratégies de détournement d’un géocroiseur potentiellement dangereux.
Figure 1 : une roche reposant sur une surface est soumise à des variations de
température du fait des cycles d’ensoleillement. Sur un astéroïde (sans atmosphère),
les amplitudes de température peuvent être très importantes (plusieurs centaines de
degrés), soumettant le matériau de surface à une fatigue thermique et finalement à une
fragmentation de celui-ci. Image d’après McFadden et al. (2005).
Figure 2 : Quatre images prises par la sonde NEAR Shoemaker (NASA) de
l’astéroïde géocroiseur Eros en 2001 avec une résolution spatiale de plus en plus
élevée. Haut : images prises à 11 kilomètres d’altitude et sur 550 mètres de large ;
bas : images prises à 4.9 kilomètres d’altitude et sur 230 mètres de large. Sur toute
ces images, un nombre de petits rochers conséquent repose sur une couche de régolite
fin recouvrant la surface d’Eros qui, d’après cette nouvelle étude, serait produite par la
fatigue thermique. Credits : Nasa
1. Hopkins Extreme Materials Institute, Johns Hopkins University,
Latrobe 122, 3400 North Charles Street, Baltimore, Maryland 21218, USA.
Ce travail a bénéficié d’une aide de l’Agence Nationale de la Recherche portant la référence ANR-11-BS56-008 (SHOCKS).
Marco Delbo, Guy Libourel, JustinWilkerson, Naomi Murdoch, Patrick Michel, K. T. Ramesh, Clément Ganino, Chrystele Verati & Simone Marchi 2014. Thermal fatigue as the origin of regolith on small asteroids. Nature, avril 2014.
Contacts chercheurs :
Marco Delbo, chargé de recherche CNRS, laboratoire Lagrange (UNS-CNRS-OCA) : delbo@oca.eu, 06 85 24 03 71.
Guy Libourel, professeur, laboratoire Géoazur (UNS-CNRS-OCA-IRD) : libou@oca.eu, 06 79 02 95 96.
Patrick Michel, directeur de recherche CNRS, laboratoire Lagrange (UNS-CNRS-OCA) : michelp@oca.eu, 06 88 21 28 33.
