Mekanisme bag størrelsessortering af murbrokker på asteroide Itokawa afsløret

I 2005, Hayabusa-rumfartøjet udviklet af Japan Aerospace Exploration Agency (JAXA) landede på Itokawa, en lille jordnær asteroide opkaldt efter den berømte japanske raketforsker Hideo Itokawa. Målet med den ubemandede mission var at studere asteroiden og indsamle en prøve af materiale, der skulle returneres til Jorden til analyse. I modsætning til videnskabelige forudsigelser om, at små asteroider er golde klumper af sten, fotografier taget af Hayabusa-rumfartøjet afslørede, at overfladen af ​​Itokawa er overstrøet med partikler af forskellig størrelse. Endnu mere forvirrende var den laterale adskillelse af små og store partikler - med store kampesten, der indtog højlandet og små småsten, der indtog lavlandet.

Forskere ved Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University (OIST), Japan, i samarbejde med forskere ved Rutgers University, USA, har brugt en kombination af eksperimenter, simuleringer og analyser for at foreslå en mekanisme, der ligger til grund for den laterale størrelsessortering af partikler på Itokawa:små småsten, der rammer overfladen af ​​Itokawa, vender tilbage fra kampesten, men synker ned i småstensrige områder.

Størrelsessortering af partikler på Itokawa blev tidligere tilskrevet paranødeffekten (BNE), hvor partikler af forskellig størrelse adskilles under vedvarende lodret rystning i nærvær af tyngdekraften. Svarende til fænomenet, hvor rystning af en æske granola får store klynger til at stige til overfladen, og mindre havre synker til bunds, store kampesten stiger til overfladen af ​​asteroide murbrokker, mens mindre småsten synker. Men selvom BNE kan tage højde for kampesten, der stiger til overfladen, det undlader at forklare den observerede laterale adskillelse af partikler.

"Sammen med forskere ved Rutgers University, vi har fundet en enklere og mere holdbar grund til størrelsessortering af partikler på Itokawa, " siger professor Pinaki Chakraborty, leder af OIST's Fluid Mechanics Unit.

Fundene, skal udgives i Fysiske anmeldelsesbreve give indsigt i dannelsen og udviklingen af ​​små asteroider, giver et vindue ind i de tidlige stadier af solsystemet.

Ud fra fotografierne, det kan observeres, at mængden af ​​kampesten og småsten på overfladen af ​​Itokawa er sammenlignelige, hvilket betyder, at der skal være mange flere småsten efter antal. Det følger heraf, at de fleste kollisioner, der dannede asteroiden, må have været fra små partikler. Dette er vigtigt, fordi når en sten rammer en kampesten, går den tilbage, hvorimod når den rammer et hav af andre småsten, dør dens momentum. Forskerne forudsagde, at denne proces - som de kaldte 'ballistisk sortering' - kunne ligge til grund for Itokawas størrelsessorteringsfænomen.

For at teste dette eksperimentelt, forskere ved Rutgers University tabte sandpartikler på en keramisk plade for at modellere småsten, der kolliderer med kampesten og andre småsten. De observerede, at når sandpartikler ramte pladen, de preller af, men når de rammer en høj sand, de samler sig, fører til voksende sandbunker.

"Disse indledende eksperimenter viser, at faldende sand hopper væk fra kampesten, men forbliver i nærheden af ​​sandede områder, " forklarer professor Troy Shinbrot fra Rutgers University og hovedforfatter af undersøgelsen.

Næste, Prof. Shinbrot og kolleger tabte sandpartikler på sten, der var tilfældigt placeret i bunden af ​​en kasse. Måling af størrelsen af ​​sandøerne over tid, holdet viste, at arealet af øerne vokser i henhold til Hill-ligningen, som bruges til at beskrive processer, hvor en indledende akkumulering fremmer yderligere akkumulering.

For at teste, om disse eksperimentelle resultater gælder for Itokawa - som har meget lavere tyngdekraft end Jorden - Dr. Tapan Sabuwala fra OIST's Continuum Physics Unit, udførte computersimuleringer, hvor han varierede tyngdekraften og kvantificerede den ballistiske sorteringseffekt ved at droppe småsten på et underlag af kampesten og småsten og spore hver enkelt stens bane. Han fandt ud af, at småsten, der rammer kampesten, rejser længere end småsten, der rammer andre småsten, uanset tyngdekraften.

"Vores simuleringer bekræfter, at småstenshav vokser, fordi indkommende småsten springer tilbage fra sten, men kolliderer uelastisk med andre småsten, " siger Dr. Sabuwala. "Vi finder også ud af, at ballistisk sortering fører til dannelsen af ​​flade stenhav i gravitationsdale."

Baseret på både eksperimenter og simuleringer, holdet konkluderede, at lavhastighedsdeponering af småsten resulterer i en forudsigelig vækst af stenhav.

"Vi mener, at ballistisk sortering kan være den dominerende mekanisme bag størrelsessortering af partikler på små asteroider som Itokawa, " siger Prof. Shinbrot. "Større asteroider kan også gennemgå ballistisk sortering, men fordi de er mere modtagelige for høje energipåvirkninger og andre landskabsforstyrrende faktorer, situationen er mere kompliceret."

Foreløbig billeddannelse af asteroide Bennu, som i størrelse kan sammenlignes med Itokawa, antyder, at den også udviser lateral størrelsesadskillelse af partikler på dens overflade. En NASA-ledet udforskning af Bennu, der starter i 2018, forventes at give yderligere indsigt i omfanget af ballistisk sortering.

"Vores forskning kan være nyttig til kommende rummissioner, især ved at guide vellykkede rumfartøjer på asteroider, " siger prof. Chakraborty. "Ud over missionen til asteroiden Bennu, igangværende JAXA's Hayabusa 2-mission til asteroiden Ryugu og den kommende NASA-ledede mission til Jupiters trojanske asteroider, der skal opsendes i 2021, kunne drage fordel af denne nye opdagelse."