Studies of collisions involving porous bodies

• Auteur / Autrice : Martin Jutzi
• Direction : Patrick Michel, Willy Benz
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance en 2009
• Etablissement(s) : Nice en cotutelle avec Université de Berne
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences fondamentales et appliquées (Nice ; 2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : autre partenaire : Université de Nice-Sophia Antipolis. Faculté des sciences

Mots clés

Mots clés contrôlés

Porosité

Fragmentation

Comètes

Astéroïdes

Collisions (astrophysique)

Résumé

De nombreux indices indiquent que l’intérieur de certains petits corps appartenant aux populations d’astéroïdes et des comètes a un degré de porosité élevé. C’est le cas par exemple des astéroïdes de type taxonomique sombre, des comètes de la famille de Jupiter et des objets de Kuiper, comme l’indiquent la densité volumique estimée pour certains d’entre eux (< 1. 3 g/c m3) et l’analyse des poussières interplanétaires récoltées sur Terre. Tandis que la fragmentation d’un corps non poreux se produit essentiellement par la propagation de fissures, celle des corps poreux met en jeu des processus additionnels comme l’écrasement de pores. Les expériences d’impact suggèrent aussi que des corps qui sont peu résistants (ayant une faible résistance à la traction) se comportent comme s’ils étaient robustes. La formation de cratère sur un corps poreux pourrait aussi mettre en jeu le processus de compaction plutôt qu’une éjection de matière. Cela vient de la nature dissipative des matériaux poreux. Pour étudier l’évolution collisionnelle et la durée de vie des populations de petits corps, il est crucial de comprendre le processus de fragmentation des corps poreux. De plus, cette connaissance aidera à définir des stratégies de défense efficaces contre un objet (poreux) potentiellement dangereux. Dans cette thèse, nous étendons notre code de fragmentation basé sur la méthode numérique SPH (Smooth Particle Hydrodynamics) afin d’inclure l’effet de porosité aux échelles inférieures à la limite de résolution numérique en adaptant le modèle appelé P-alpha. Nous décrivons le modèle de porosité en détail. Nous montrons ensuite comment il est implémenté dans notre code de façon cohérente, permettant aussi de prendre en compte des phénomènes complexes, en particulier ceux associés à un très haut degré de porosité. Nous accomplissons ainsi une première validation réussie par comparaison avec des expériences en laboratoire sur de la pierre ponce. Cette validation nous permet d’appliquer le modèle aux plus grandes échelles et de commencer à étudier des problèmes dans le domaine des sciences planétaires. Notre première application consiste à explorer le scénario de formation de la famille d’astéroïdes Baptistina par la fragmentation d’un corps, soit poreux soit non poreux. Puis, nous estimons pour la première fois l’énergie seuil de destruction catastrophique, appelée Q*D, de corps poreux à plusieurs vitesses d’impact. Nous appliquons aussi notre modèle aux expériences d’impact menées dans le cadre de missions spatiales. En particulier, nous modélisons l’impact du satellite SMART-1 (mission ESA) et LCROSS (mission NASA) sur la surface de la Lune. Finalement, nous utilisons aussi notre modèle pour améliorer notre compréhension de processus fondamentaux comme le taux d’atténuation de l’onde de choc dans les cibles poreuses. Nos résultats montrent que la porosité influence fortement le résultat de la destruction d’un corps poreux et qu’il est donc inapproprié de simuler une telle destruction en utilisant un modèle adapté aux corps non poreux en diminuant uniquement la densité volumique du corps. Ainsi, les expériences d’impact en association avec notre modèle permettront d’améliorer notre compréhension du processus de fragmentation pour une large gamme de matériaux poreux. Cela nous permettra d’appliquer notre modèle à une grande variété de planétésimaux, précurseurs des planètes.

Several evidence points to the presence of a high degree of porosity in some small bodies belonging to the asteroid and the comet populations. This is the case for instance for asteroids belonging to dark taxonomic lasses, Jupiter Family Comets and Kuiper Belt Objects, as indicated by the low bulk density (< 1. 3 g/c m3) estimated for some of these bodies and the analysis of interplanetary dust particles collected on Earth. While the fragmentation of non-porous bodies is driven essentially by crack propagation, fragmentation of porous bodies must also involve additional processes, in particular the crushing of pores. Impact experiments also suggest that bodies which are “weak” (low tensile strength) but have a significant porosity, behave as if they were strong. It has also been suggested that cratering on a porous asteroid might be an event involving compaction rather than ejection. The reason is again the dissipative nature of porous materials. To study the collisional evolution, lifetime, and outcome of the small body populations, it us crucial to understand the fragmentation process in porous bodies. Moreover, this knowledge will also help to define efficient mitigation strategies against a potential threatening (porous) Near Earth Object (NEO). In this thesis, we extend our Smooth Particle Hydrodynamics (SPH) impact code to include the effect of porosity at a subresolution scale by adapting the so-called P-alpha model. We describe the porosity model in detail. We then show how it is implemented in our code in a consistent way which also accounts for complex phenomena, in particular those associated with very high porosities. We also make a first successful validation of the model by a comparison with laboratory impacts experiments involving porous pumice. This validation allows us to apply the model at larger scales and to stard addressing problems related to planetary sciences. As a first application, we investigate formation scenarios of the Baptistina asteroid family by the break-up of both a porous and a non-porous parent body. Further, we estimate for the first time the so-called catastrophic disruption energy threshold Q*D for porous bodies at high impact velocities. We also apply our model to impact experiments in the framework of space missions? In particular, we model the impact of the SMART-1 spacecraft (ESA mission) and the LCROSS spacecraft (NASA mission) into the surface of the moon. Finally, we also use our model to improve or understanding of fundamental processes such as the shock attenuation rate in porous targets. Our results show that porosity plays an important role in outcome of a porous body disruption and therefore, accounting only for experiments in association with our model will help improving our understanding of the impact process on wide range of porous materials. This will allow us to apply our model to a large variety of problems in planetary sciences such as the collisional evolution of the Kuiper Belt or the formation of planetesimals.