DEMANDE DE BQR 2009 PRESENTEE PAR L`UNITE : UMR 6202

OBSERVATOIRE DE LA COTE D'AZUR
SECRETARIAT DU CONSEIL SCIENTIFIQUE
DEMANDE DE BQR 2009
PRESENTEE PAR L’UNITE : UMR 6202 Cassiopée
RESPONSABLE : P. Tanga
TITRE DE L'OPERATION :
Exploration numérique des propriétés physiques des astéroïdes : réunion d’experts
JUSTIFICATIF DE LA DEMANDE :
La connaissance des propriétés physiques des astéroïdes (densité, forme, propriétés de rotation, structure
interne, propriétés macroscopiques et de surface) est primordiale pour l’étude de leur évolution
collisionnelle et de leur formation, mais aussi pour planifier les missions spatiales à venir.
Aujourd’hui les outils numériques (codes N corps et hydrodynamiques) permettent de modéliser
plusieurs catégories de phénomènes physiques qui interviennent dans la vie des petits corps : la
fragmentation du matériel suite aux impacts, la dispersion des fragments et leur re-accumulation par effet
de la gravitation, la dynamique des impacts entre ces fragments, etc. Grâce à ces outils il a été possible
d’obtenir des résultats importants à propos de la formation des membres des familles dynamiques, des
satellites d’astéroïdes ou des astéroïdes binaires. L’équipe de planétologie de l’OCA a joué un rôle de
première ligne dans ce domaine.
Toutefois, les modèles utilisés introduisent des approximations et il ne sont pas complets, car ils
négligent des effets qui pourraient être importants (plasticité, dissipation de marée…). De plus, la
complexité de la physique simule par les outils numériques permettrait d’explorer de nouveaux modèles
et des propriétés qui nécessitent une expertise plus vaste (ou au delà du domaine des sciences planétaires)
pour être maîtrisées.
Dans l’optique de faire le point sur la situation actuelle, d’étudier ces perspectives et d’ouvrir notre
collaboration à des experts d’autres disciplines, nous pensons organiser une rencontre à Nice en invitant
pour un court séjour trois chercheurs en provenance des Etats-Unis et deux chercheurs de l’Université de
Paris VI. Nous aurons ainsi réuni des experts de code N-corps pour le Système Solaire, des théoriciens
experts de la dynamique des matériaux et des marées, et des experts des milieux granulaires, le domaine
plus proche aux problématiques de modélisations actuelles.
Cette réunion de travail sera un point de départ pour une nouvelle collaboration et pourrait conduire à la
préparation d’une demande ANR en 2010.
PARTICIPANTS :
P. Tanga, P. Michel, C. Comito, M. Delbò (Cassiopée), D. Hestroffer (IMCCE)
PRESENTATION LIBRE DU PROJET - (éventuellement publications correspondantes déjà réalisées par un ou des membres
demandeurs) - A JOINDRE A CE FORMULAIRE
DEMANDE DE BQR
EQUIPEMENT
(en K€)
:
FONCTIONNEMENT
(en K€)
MISSIONS
(en K€)
6400
COFINANCEMENT DEMANDE : X oui
… non
TOTAL DU PROJET
(en K€)
8400
50 %
CREDITS DEJA
OBTENUS (HORS BQR)
TOTAL DE LA DEMANDE DE
(en K€)
(en K€)
2000
BQR
6400
ORGANISME(S) DE COFINANCEMENT : PNP
Annexe : détail de la demande
Le but de ce projet est d’approfondir nos
connaissances du phénomène de collisions entre
corps solides au moyen de simulations numériques et
des autres mécanismes pouvant détruire ou déformer
ces corps selon leur structure interne. Ces
phénomènes sont au cœur de la formation et de
l’évolution du Système Solaire. Il est particulièrement
important d’estimer les propriétés des fragments
résultant de collisions entre corps solides en fonction
de leur taille initiale, de leur structure interne, de
l’énergie d’impact et leurs évolutions sous l’influence
des forces de marée et d’augmentation de leur taux de
rotation par l’effet thermique appelé YORP. Ces
résultats doivent aussi être confrontés aux
observations et aux mesures des propriétés (i.e. thermiques) des petits corps. Les tailles
considérées, supérieures au mètre, sont inaccessibles en laboratoire et seules des simulations
numériques de fragmentation puis d’interaction gravitationnelle des fragments résultants
(lorsque la gravité peut jouer un rôle) peuvent déterminer leurs propriétés finales (tailles,
formes et vitesses). Les simulations sont effectuées en combinant un code hydrodynamique de
fracture d’un corps solide, produisant les fragments générés par la propagation des fissures, et
un code N-corps parallèle permettant de calculer l’évolution gravitationnelle de millions de
particules massives et ainsi de déterminer l’éventuelle ré-accumulation gravitationnelle des
fragments issus de la fracture. Les résultats déjà obtenus ont pour la première fois réussi à
reproduire les propriétés de certaines familles d’astéroïdes observées dont les membres sont
issus d’un corps parent détruit par collision.
Dans ce cadre, on peut étudier aussi la génération de formes des astéroïdes et des astéroïdes
binaires.
Les codes qu’on a à disposition aujourd’hui (notamment pkdgrav, adapté aux études du
Système Solaire par D.C. Richardson) sont capables de gérer l’interaction (collisions) entre
des sphères rigides de taille identique, qui peuvent être considérés comme les éléments de
base qui constituent tous les objets simulés. Cette approche très simplifiée permet déjà de
reproduire des comportements intéressants concernant les propriétés mécaniques du matériel
qui déterminent la forme ou la porosité.
Tous degrés de complications ultérieures peuvent contribuer à prendre en compte des
mécanismes plus complexes, mais ils nécessitent parfois des compétences qui sont au delà de
celle présentes dans l’équipe de planétologie du Laboratoire Cassiopée et aussi, dans certains
cas, au delà des compétences du domaine de l’astrophysique.
Ceci représente aujourd’hui une opportunité unique pour l’ouverture de collaborations
interdisciplinaires capables d’ouvrir des nouvelles perspectives pour l’équipe de
planétologie.
En particulier on identifie pour ces ouvertures thématiques les points suivants :
- Les effets des marées. Ils sont importants pour comprendre l’évolution des astéroïdes
binaires ou des géocroiseurs, mais ils rendent nécessaire l’implémentation d’effets de
dissipation d’une façon cohérente. De plus, leur influence sur les détails des modèles de
simulations numériques n’a pas encore été étudiée (experts : D. Scheeres ; K. Holsapple).
- Les propriétés mécaniques des milieux granulaires. Les corps représentés par un
ensemble de sphères rigides présentent les propriétés statiques et dynamiques des milieux
granulaires, étudiées dans le cadre de la géophysique (dynamique des éboulements, structure
du sol…) de l’ingénierie des bâtiments (stabilité du sol, résistance des agglomères) ou des
mathématiques appliquées (formation de structures dans les milieux complexes - Experts : E.
Clement ; J. Rajchenbach).
- La modification des propriétés mécaniques en fonction des détails de la simulation. Des
choix différents dans la simulation numérique (coefficients de restitution, distribution de taille
des particules, forme des particules, etc.) peuvent amener à des comportements différents, en
fonction des propriétés relative au point précédent (Experts : D.C. Richardson).
- La réponse séismique d’un astéroïde. Un astéroïde est soumis depuis sa formation à des
collisions non destructives et à des contraintes internes de faible intensité (dues par exemple à
la présence de satellites) qui peuvent induire la dislocation d’une partie des matériaux qui le
composent. La réponse en terme de modification de forme et de structure, ainsi que les
signatures à la surface sont fonction des propriétés des matériaux et de la propagation des
ondes sismiques, deux aspects peu étudiés dans ce cadre (Experts : D. Scheeres ; E. Clement ;
J. Rajchenbach).
Définition du budget
Missions (vol) et séjour pour :
D.C. Richardson – Université du Maryland
2000 Euros
D. Scheeres – Université du Colorado, Boulder
2000
K. Holsapple – Université de Washington, Seattle
2000
E. Clement – Université Paris VI
800
J. Rajchenbach – Université Paris VI
800
2 missions Nice – Paris d’une semaine (D. Hestroffer, C. Comito) 800
Total
8400
Dont, pris en charge sur le PNP (P. Michel):
2000
Demande BQR
6400