Le chocs dans le système solaire: l'importance relative des processus thermiques et collisionnels dans la formation du régolithe à la surface des petits corps célestes et autres particules fines. – SHOCKS

Notre approche innovante et multidisciplinaire se caractérise par la combinaison d'expertises dans les domaines de l’astrophysique, la cosmochimie, la géomécanique, la modélisation numérique et les expériences de laboratoire. Nous étudions la production des particules fines à la surface des astéroïdes par la fracturation des roches par fatigue thermique suite aux variations de températures induites par les cycles jour/nuit. Nous avons reproduits ces cycles dans le laboratoire sur différents types de météorites et nous mesurons l'avancement des fractures grâce à l’analyse des images à haute résolution des surfaces et de l'intérieur de nos échantillons obtenues par tomographie 3D de rayons X. Pour étudier la production du régolithe par un second processus, le choc mécanique, nous développons aussi des simulations numériques d’impacts à la surface d'es astéroïdes, afin d’estimer la production d’éjecta issus d’un cratère d’impact et la quantité qui retombe éventuellement à la surface, contribuant ainsi à la production de régolithe. Des expériences d'impact serviront aussi comme outil de validation des simulations numériques à petite échelle. En effet, avant d'être appliquées aux échelles adaptées aux astéroïdes qui sont inaccessibles en laboratoire, les simulations doivent être validées par la reproduction d'expériences d'impact en utilisant comme paramètres d’entrées des propriétés de matériaux identiques à celles des cibles expérimentales. Pour ce qui concerne la formation des chondres, en effectuant des expériences et des simulations numériques d’impacts géantes, et en faisant une analyse minutieuse de la minéralogie et la chimie des matériaux constituant les chondrites (chondres et matrices), nous tenterons de déterminer si les chocs lors d’impacts géants dans les stades précoces du système solaire ont joué un rôle essentiel dans la formation des chondres et chondrites.

Le premier résultat de notre projet montre, pour la première fois, l’efficacité de la fatigue thermique pour l’augmentation du niveau de fracturation et la formation de particules fines (éclats) dans le cas de la météorite carbonée de type CM Murchison. Notre étude a une implication importante pour la fracturation des surfaces et la formation du régolithe par fatigue thermique sur les astéroïdes analogues aux chondrites CM comme l'astéroïde (101955) 1999 RQ36, cible de la mission spatiale de retour d'échantillon OSIRS-REx (Delbo et al. en préparation). L’analyse des données est en cours sur d'autres échantillons/ météorites mais demeure plus critique en raison d'un nombre des fractures initiales inférieur à celui présent dans la météorite Murchison. Un développement original, non envisagé au départ, s’est engagé grâce à une nouvelle collaboration avec un groupe de recherche (Center for Advanced Metallic and Ceramic Systems) de la Johns Hopkins University (JHU, Baltimore, MD, USA) - pour étudier de façon théorique la formation et l'évolution des fractures à l'intérieur des roches soumises aux cycles de températures jour/nuit à la surface des astéroïdes de type géocroiseurs. Un autre développement original, résidera en la mesure des propriétés thermiques des composants d’une météorite (matrice, chondres, métal, sulfures, etc) grâce à nos expériences de laboratoire (méthode flash face avant). La possibilité de faire ce type de mesure est extrêmement importante car elle permet l'interprétation des valeurs de la conductivité thermique des surfaces des astéroïdes, mesurés par des observations au télescope intégrées sur tout l’astéroïde, en fonction des propriétés du régolithe (e.g. distribution de taille des grains du régolithe et leurs propriétés thermiques individuelles).

La perspective finale de ce projet est de fournir une nouvelle compréhension des processus de formation et des propriétés des particules fines au cours de l’histoire du Système Solaire. Cette connaissance aura de plus une importance majeure dans la préparation et dans l’interprétation des données des missions spatiales dédiées à la visite et/ou au retour d’échantillon de surfaces des corps célestes (e.g. Dawn, OSIRIS-Rex, Hayabusa 2, MarcoPolo-R, …), en particulier celles dans lesquels certains membres de ce projet sont impliquées.

Nous avons présenté notre projet en octobre 2011 à la conférence internationale de Sciences Planétaires EPSC-DPS (Nantes). Une présentation orale des résultats préliminaires de notre projet a été donnée au LPSC en Mars 2012 (Houston, Tx, USA) et un retour très positif nous a été donné par différents collègues, qui nous encouragent à continuer les expériences de fatigue thermique sur différents types des météorites. Une autre présentation orale est prévue à l’Assemblée Générale de l’Union Astronomique Internationale à Beijing (Chine) en Août 2012. Un papier sur les premiers résultats est en cour de rédaction et va être soumis à la revue spécialisée Icarus dans le prochains mois.

Les particules fines sont omniprésentes tout au long de l’histoire du Système Solaire. Elles nous fournissent des informations sur la formation et la nature des corps célestes solides. Cependant, leur mode de formation demeurent toujours énigmatique. Le but de ce projet est de progresser dans notre compréhension de ce problème fondamental. Du fait des implications interdisciplinaires et de la complexité scientifique mise en jeu, deux laboratoires, l’un travaillant dans les domaines astrophysiques (Cassiopée, UMR 6202, Nice), l’autre travaillant dans le domaine des Sciences de la Terre (Centre de Recherches Pétrographiques et Géochimiques, UPR 2300, Nancy), ont décidé de mettre en commun leurs ressources et leurs compétences afin de créer une initiative scientifique unique pour s’attaquer à ce problème.
Deux types de particules représentatives qui se sont formées à différentes époques de l’évolution du Système Solaire seront étudiées: i) le régolithe observé à la surface des astéroïdes, du fait de son lien avec la formation et l’évolution des briques planétaires, et ii) les chondres qui constituent un composant majeur des météorites primitives, car ils offrent un aperçu unique des processus qui se sont produits durant la formation du Système Solaire à partir de son disque d’accrétion. Les deux environnements nécessitant des événements hautement énergétiques, nous explorerons les rôles relatifs des chocs thermiques et des chocs produits par les impacts dans la formation de ces particules. Quelle est l’efficacité de la fatigue thermique résultant des cycles de température jour/nuit pour fragmenter et réduire en poussière les roches exposées à la surface des astéroïdes? Quelle est l’efficacité du processus de formation de cratère par impact pour produire le régolithe? Les chocs produits par les impacts entre planétésimaux durant la phase précoce du Système Solaire sont-ils pertinents pour expliquer la formation des chondres? Quelles sont les conditions d’impacts qui conduisent à la formation des chondres et sont-elles en accord avec les contraintes fournies par les modèles dynamiques du Système Solaire dans sa phase précoce? Finalement, en général, quel est le rôle fondamental joué par les processus de choc dans la production des particules fines pendant toute l’histoire du Système Solaire?
Ces questions fondamentales de premier ordre, parmi d’autres, sont maintenant accessibles grâce à tous les développements analytiques, expérimentaux et numériques qui ont été effectués ces dernières années dans les deux laboratoires partenaires de cette proposition. La percée majeure vient du couplage des observations à différentes échelles (depuis le sol, l’espace, et sur les météorites) avec les nouvelles expériences originales de fatigue thermique et d’impact énergétiques, et leurs simulations avec les codes numériques les plus sophistiqués. A son terme, ce projet fournira une nouvelle compréhension des processus de formation et des propriétés des particules fines au cours de l’histoire du Système Solaire. Cette connaissance aura de plus une importance majeure dans la préparation et dans l’interprétation des données des missions spatiales dédiées à la visite et/ou au retour d’échantillon de surfaces des corps célestes (e.g. Dawn, OSIRIS-Rex, Hayabusa, MarcoPolo-R, …). Le financement par l’ANR est essentiel pour fournir le soutien nécessaire à cette approche innovante et multidisciplinaire caractérisée par la combinaison d’expertises concernant les météorites primitives, les expériences en laboratoire, la mécanique et la modélisation numérique. Ainsi, nous pouvons anticipé que cette initiative stimulera de nombreux développements nouveaux combinant ces différentes disciplines et des interactions fructueuses entre les différentes communautés impliquées.