L’impact artificiel produit par la mission spatiale Hayabusa2 sur l’astéroïde Ryugu : un cratère bien plus grand que prédit !

La sonde japonaise Hayabusa2 de la JAXA a rendu 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 CNES-DLR (Mascot) sur la surface 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 terrestre afin qu’ils arrivent sur Terre et soient analysés dans nos laboratoires. Potentiellement riches en matière organique et en matière primitive, ils nous fourniront des données essentielles sur la composition initiale du système Solaire, sur la formation des planètes et sur la contribution des petits corps dans l’émergence de la vie sur Terre.

Les données d’Hayabusa 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 nous permettent d’explorer un nouveau territoire, dans un environnement bien différent de celui de la Terre du fait de la petite taille de l’astéroïde de 1 km de diamètre. Elles indiquent notamment que Ryugu, très peu dense (à peine plus que l’eau !), 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 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 car le nombre 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. 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 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. 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 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 (Fig. 2) par une petite caméra 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 optique télescopique depuis une altitude de 1.7 km (Fig. 1) avec une résolution de ~17 cm/pixel.

Le cratère se situe dans la partie nord de la boursouflure équatoriale caractéristique de l’astéroïde Ryugu et l’angle d’impact du projectile est estimée à 60° de l’horizontal 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 et à plus d’1 mètre 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.

Au final, le cratère a la forme d’un demi-cercle, à cause de la roche 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 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 modélisation numérique 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.

Si cette interprétation est correcte et peut être extrapolée à l’ensemble de l’astéroïde, elle indique que la surface de Ryugu réagit comme du sable 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. 

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 blanc 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 en pointillé.

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. 

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