Un grand nombre de petits astéroïdes semble avoir une forme de toupie et la plupart ayant cette forme sont accompagnés d’une petite lune, formant un système binaire. Les astéroïdes binaires représentent environ 15% de la population des petits astéroïdes. Plusieurs études ont montré que la forme de toupie est la conséquence du processus qui conduit à la formation d’une lune. Pourtant, des astéroïdes ayant cette forme, tels que les astéroïdes riches en carbone Bennu et Ryugu, visités par les missions OSIRIS-REx de la NASA et Hayabusa2 de la JAXA, respectivement, ne sont pas accompagnés d’une lune. Pourquoi n’ont-ils pas de lune, en dépit de leur forme, et comment cela est-il relié à leurs propriétés internes et à leurs évolutions ? Et qu’est-ce que cela nous dit sur l’intérieur de ces objets ?
Jusqu’à présent, aucune mesure directe de structure interne d’un astéroïde n’a été effectuée par une mission spatiale et il faudra attendre la mission Hera de l’ESA pour effectuer en 2027 le premier sondage interne d’un tel objet. De ce fait, la caractérisation des propriétés internes des astéroïdes repose sur l’interprétation des propriétés de surface révélées par les images des missions spatiales. En utilisant les données de surface de l’astéroïde Bennu par la mission OSIRIS-REx de la NASA, une équipe internationale dirigée par des chercheurs de l’Observatoire de la Côte d’Azur montre, au moyen de simulations numériques, que l’évolution de la structure et de la forme globale de Bennu, représenté comme un agglomérat de roches, est extrêmement sensible à sa résistance mécanique . Les simulations montrent que les propriétés de surfaces de Bennu obtenue par OSIRIS-REx ne peuvent s’expliquer que par une structure interne bien spécifique. En particulier, l’intérieur de Bennu ne peut pas être homogène et doit contenir des hétérogénéités structurelles, avec notamment des zones internes de faible cohésion et de faible friction, et d’autres zones au contraire très résistantes. Cela conduit l’astéroïde à suivre un chemin d’évolution de sa structure et de sa forme qui empêche la formation d’une lune, alors que la présence d’une lune est une caractéristique partagée par les astéroïdes de même forme que Bennu. En considérant d’autres types de structure interne, les auteurs identifient différents chemins d’évolution de structure d’astéroïdes de forme similaire à celle de Bennu, en fonction de leurs propriétés matérielles. Le chemin trouvé pour Bennu, qui devrait être partagé par les astéroïdes riches en carbone et de faible densité comme lui, est cohérent avec le fait que ni Bennu ni Ryugu n’ont une lune. Les auteurs prédisent ainsi que les astéroïdes binaires du type carboné, devraient constituer une minorité dans la population des astéroïdes binaires, ce qui semble cohérent avec les observations. Ils démontrent aussi que les caractéristiques de surface mesurées par les missions spatiales peuvent permettre d’en déduire des informations sur l’intérieur, ainsi que sur l’évolution l’accompagnant, de l’astéroïde considéré, avec des implications fortes sur son histoire.
Les recherches passées ont montré que les petits astéroïdes sont des agglomérats de roches et non des roches monolithiques quand leur taille est supérieure à 200 mètres de diamètre et jusqu’à plusieurs de dizaines de kilomètres de diamètre. Les observations indiquent qu’une grande fraction de ces astéroïdes ressemblent à des toupies et sont souvent accompagnés d’une petite lune, faisant d’eux un système binaire. Les structures de ces astéroïdes peuvent subir des modifications lorsque leur période de rotation accélère.
La forme de toupie et la formation d’une lune sont typiquement attribuées à une accélération de la rotation sur lui-même d’un astéroïde due à un effet thermique appelé YORP qui agit sur les propriétés de rotation des astéroïdes et qui a déjà été mesuré, notamment sur Bennu. Lorsque l’astéroïde tourne plus vite sur lui-même la forme de l’astéroïde se modifie, et en particulier, la force centrifuge augmente à son équateur, conduisant dans certains cas à la formation d’une boursoufflure équatoriale donnant la forme de toupie à l’astéroïde. Cependant, les caractéristiques de surface et l’évolution des astéroïdes en forme de toupie soumis à cet effet et leur dépendance à leurs propriétés internes sont encore mal compris. Les surfaces de deux astéroïdes en forme de toupie ont été caractérisées en détail par des missions spatiales : (162173) Ryugu par la mission Hayabusa2 de la JAXA et (101955) Bennu par la mission OSIRIS-REx de la NASA. Ces missions ont révélé des détails extraordinaires concernant les caractéristiques géologiques de surface très diverses de ces astéroïdes. Concernant Bennu, les images obtenues par la sonde OSIRIS-REx ont confirmé que Bennu est un agglomérat de roches de 500 mètres de diamètres en forme de toupie (Fig. 1). La surface contient plusieurs grands cratères d’environ 100 mètres de diamètre distribués à l’équateur de l’astéroïde. Ces cratères sont bien préservés (leur forme est intacte) et sont donc plus jeunes que la boursouflure équatoriale qui donne sa forme de toupie à l’astéroïde. La mission a aussi mesuré que Bennu subit une accélération de sa période de rotation. Des mouvements locaux de matière ont aussi été détectés, ainsi que des structures linéaires ressemblant à des fractures, ce qui pourrait indiquer une certaine rigidité interne. De plus, selon les mesures du champ de gravité de l’astéroïde, Bennu a une distribution de masse interne hétérogène (Fig. 1) et pourrait avoir un cœur moins dense que les autres régions.
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Figure 1 : à gauche : image de Bennu et de sa forme de toupie prise par la sonde OSIRIS-REx (NASA ; crédit : NASA, univ. Arizona). A droite : un modèle de structure interne montrant une distribution hétérogène de la cohésion interne (mesurée en Pascal), avec des zones n’ayant aucune cohésion, et d’autres plus rigides. De cette structure interne dépend l’évolution de la structure et de la forme d’un astéroïde lorsque son taux de rotation sur lui-même augmente.
« Interpréter ces informations très riches et complexes nécessite tout à la fois une bonne compréhension des processus géologiques qui agissent sur les astéroïdes et également une manière fiable de les modéliser », explique Yun Zhang, post-doctorante au laboratoire Lagrange (CNRS-UCA-OCA) et première auteure de l’étude. Les auteurs ont effectué des simulations numériques à haute-fidélité pour tester la réponse de la structure de Bennu à une diminution de sa période de rotation. « En exploitant les résultats numériques et en les comparant aux caractéristiques de surface observées sur Bennu, nous sommes capables de quantifier les propriétés internes de l’astéroïdes et d’en déduire un scénario de son évolution », explique Yun Zhang.
En effet, les auteurs montrent que les caractéristiques de surface de Bennu ne peuvent être expliquées que par une structure interne globalement peu résistante, avec quelques zones très locales de plus grande résistance, révélant ainsi la grande complexité des intérieurs d’astéroïdes. De plus, en étudiant comment cette structure interne évolue, ils montrent qu’une déformation interne non-uniforme induite par cet intérieur peu résistant a conduit Bennu a évoluer vers cette forme tout en préservant les structures topographiques observées à son équateur (Fig. 2). « Nous venons tout juste de réaliser que les astéroïdes ne sont pas des roches toutes simples dans l’espace et sont en fait des petits mondes géologiques extrêmement riches et complexes qui évoluent dans des conditions très différentes de celles de la Terre », d’après Patrick Michel, directeur de recherche CNRS, laboratoire Lagrange (CNRS-UCA-OCA) deuxième auteur de l’étude.
Figure 2 : Image d’une simulation d’évolution de la structure de Bennu soumise à une accélération de sa rotation sur lui-même. Bennu a subi une déformation interne qui a provoqué la naissance d’une boursouflure équatoriale sans pour autant modifier ses propriétés de surface, ce qui aida à préserver les cratères sur l’équateur et à empêcher la formation d’une lune.
De plus, le chemin pris par Bennu pour atteindre sa forme empêche la formation d’une lune, en accord avec l’absence de satellite naturel autour de Bennu, en dépit de sa forme en toupie. « C’est un résultat, car les astéroïdes en forme de toupie sont généralement accompagnés d’un satellite naturel », explique Patrick Michel. Par conséquent, un des résultats importants de cette étude est aussi l’identification des différents chemins pris par les astéroïdes pour atteindre leur forme de toupie, qui conduisent à la formation d’une lune ou qui l’en empêchent. Si le comportement de Bennu est représentatif du comportement général des astéroïdes riches en carbone, ce résultat pourrait indiquer un déficit d’astéroïde binaire dans la classe des astéroïdes carbonés.
« Identifier les modèles de structure interne qui favorisent la formation de satellites naturels permet aussi de prédire la structure interne du corps central en forme de toupie de l’astéroïde binaire Didymos qui sera visité par la mission Hera de l’ESA en 2027 », indique Patrick Michel qui est aussi le Responsable Scientifique de la Mission Hera.
Cette étude bénéficie du soutien financier du CNES, du contrat No. 870377 du programme H2020 de l’Union Européenne (projet NEO-MAPP) et de la fédération Doeblin (projet Impact-Granular Simulations). Une partie des simulations a été effectuée sur le Mesocentre SIGAMM l’Observatoire de la Côte d’Azur.
Référence
Zhang, Y., Michel, P., Barnouin, O.S. et al. - Inferring interiors and structural history of top-shaped asteroids from external properties of asteroid (101955) Bennu - Nat Commun 13, 4589 (2022).
Contact
Patrick Michel : michelp@oca.eu
