25 Juin 2020

Comment remonter aux origines des astéroïdes Bennu et Ryugu ?

Les caractéristiques de ces astéroïdes, sujets d’étude des missions OSIRIS-REx (NASA) et Hayabusa2 (JAXA) montrent qu’ils sont des agrégats nés de la destruction passée d’un gros corps céleste. Les observations viennent confirmer près de 20 ans de travaux théoriques. Nous avons interrogé Patrick Michel, directeur de Recherches au CNRS (Observatoire de la Côte d’Azur), premier auteur de ces résultats publiés dans Nature Communications.

« Quand j’ai observé les clichés de l’équateur de Bennu et Ryugu, j’ai su que nos recherches sur la formation des astéroïdes allaient faire un bond en avant », explique P. Michel. Les deux petits astéroïdes de type C (carbonés), de 500 et 950 mètres de diamètre, respectivement, partagent en effet plusieurs similarités. Leur forme de toupie, leur albedo, leur densité faible… Et de gros cratères à l’équateur. « Ce sont des indices très importants, car on sait que plus un cratère est large, plus il est ancien, car ces gros impacts ont lieu dans la ceinture d’astéroïdes, et ils avaient plus de chances de s’y produire par le passé. Donc avec le temps il y a statistiquement très peu de chance pour que cette formation soit récente, ce qui laisserait des traces. On a donc ici un indice direct que Ryugu et Bennu avaient déjà acquis leur forme actuelle très tôt avec cette boursouflure à l’équateur, bien avant l’apparition de ces larges cratères. Et ça, c’est très troublant parce qu’une partie de la communauté scientifique tente d’expliquer la forme actuelle de ces astéroïdes par un effet thermique qui ramène le matériau des pôles à l’équateur, appelé effet YORP (Yarkovsky–O’Keefe–Radzievskii–Paddack).»

Ce phénomène nécessite cependant des millions d’années, en contradiction avec la nécessité de produire cette forme très tôt dans leur histoire. « En revanche, détaille Patrick Michel, la forme de Ryugu et Bennu correspond très bien aux prédictions de nos modèles de formation d’agrégats produits par la destruction d’un gros astéroïde ».

L’astéroïde Bennu photographié par la sonde OSIRIS-REx de la NASA. Crédits NASA/GSFC/University of Arizona.

Avant les agrégats

Image stéréoscopique de l’impact simulé sur un astéroïde parent à T-0 (avec variations de températures).
Crédits Brian May, Claudia Manzoni, Collisional formation of top-shaped asteroids and implications for the origins of Ryugu and Bennu, P. Michel et Al, Nature communications, 2020.

Une majorité des astéroïdes, ceux qui font moins de quelques dizaines de kilomètres de diamètre, sont en fait de « deuxième génération ». Ils sont issus de collisions qui ont eu lieu au sein de la ceinture d’astéroïdes, entre Mars et Jupiter, puis sont injectés sur des orbites instables qui les amènent dans le voisinage terrestre. « Ce que nous montrons dans ces publications avec nos simulations, développe Patrick Michel, c’est que lorsqu’un corps de 100 kilomètres de diamètre dans la ceinture d’astéroïdes subit une collision majeure, il est pulvérisé en un véritable nuage de débris. Il n’y a pas d’astéroïde issu de ces collisions qui fasse plus de 100m de diamètre. Mais ces débris, en s’échappant du corps initial, ont une vitesse relative qui est faible : très vite, en l’espace de quelques heures, ils forment des agrégats, et on obtient une famille d’astéroïdes agrégés qui sont issus du même corps parent. Au début des années 2000, nous n’avions pas encore la puissance de calcul pour obtenir des formes précises, au fur et à mesure que nos simulations s’affinent, on se rend compte que ces astéroïdes, ces agrégats, peuvent former des toupies comme Ryugu et Bennu. »

La publication du dernier article dans Nature apporte une nouvelle pierre à cet édifice. Les deux astéroïdes sont très ressemblants, sont tous deux de type C, viennent de la même région et… pourraient être issus du même corps parent. « À ce stade, il faut rester prudents, nous avons la chance d’avoir des récoltes d’échantillons de ces deux astéroïdes qui seront terminées d’ici un an, et l’opportunité unique d’étudier en détail dans les laboratoires sur Terre leurs similitudes ou leurs différences d’ici 2023. Mais nous avons montré qu’ils ont pu avoir une origine commune », justifie P. Michel.

Des familles d’astéroïdes redéfinies ?

Surtout, il existait un verrou qui jusqu’ici empêchait de penser à un corps parent commun : dès l’arrivée de la sonde OSIRIS-REx autour du petit astéroïde, les mesures ont montré que Bennu disposait de minéraux hydratés à un niveau beaucoup plus élevé que Ryugu. Les roches qui le composent ont subi une altération passée par de l’eau. De quoi classer ces deux astéroïdes dans deux familles différentes ?

« Non, répond Patrick Michel. Dans notre simulation, nous avons montré que cela dépend des températures atteintes lorsque l’astéroïde parent subit sa fragmentation. En gros, si les fragments sont très près de la zone d’impact, l’énergie due à l’impact va chauffer les matériaux ce qui va réduire, voire annuler leur niveau d’hydratation. Les agrégats qui se formeront avec ces débris n’auront donc plus le même niveau d’hydratation que d’autres qui seront formés avec du matériau issu de zones du corps parent plus éloignées de l’impact. Ils sont moins chauffés, car l’onde de choc due se dissipe au fur et à mesure qu’elle s’éloigne du point d’impact. Cette inhomogénéité, que l’on a pu prouver grâce aux simulations effectuées avec Ron Ballouz (co-auteur de l’étude) rend possible une parenté commune pour Bennu et Ryugu ». Cette étude pourrait mener à une re-classification des familles d’astéroïdes et donc de l’origine des différents astéroïdes géocroiseurs.

Les équipes de recherche pourront montrer dans la décennie à venir la composition exacte de ces deux astéroïdes, mais aussi leur âge, ce qui aidera à contraindre une autre inconnue de la formation de ces familles de géocroiseurs. Il y a en effet débat sur l’âge de ces agrégats, et sur les processus physiques qui ont lieu à long terme sur ces petits corps à la très faible gravité. « Ce sont des aspects très difficiles à simuler, confirme P. Michel. À chaque fois que l’on interagit avec un astéroïde, comme lorsqu’on a créé un cratère artificiel sur Ryugu ou lors des prises d’échantillons, nous avons été surpris par le comportement de la surface, composée essentiellement de rochers et de milieux granulaires soumis à des conditions d’attraction très faible. Il nous reste beaucoup à apprendre de ce côté-là dans d’autres missions à l’avenir comme le duo impacteur/inspecteur Dart/Hera ».

Pour aller plus loin

Michel, P., Ballouz, R., Barnouin, O.S. et al. Collisional formation of top-shaped asteroids and implications for the origins of Ryugu and Bennu. Nat Commun 11, 2655 (2020).

Contact

Patrick Michel
Directeur de Recherches au CNRS, Observatoire de la Côte d’Azur
Tél./Fax: +33 4 92 00 30 55/30 58
Mail : michelp at oca.eu

Francis Rocard
Responsable thématique planètes et petits corps du système solaire
Tél. : +33 1 44 76 75 98
Mail : francis.rocard at cnes.fr