La manca de cohesió de la superfície de l’asteroide Bennu

Planetologia: El 20 d’octubre del 2020, la missió de la NASA OSIRIS-REx (Origins, Spectral Interpretation, Resource Identification, Security, Regolith Explorer) impactava en l’asteroide carbonaci del grup Apol·lo 101955 Bennu. L’asteroide Bennu ocupa el primer lloc en l’Escala Tècnica de Risc d’Impacte de Palermo, i hom calcula en 1 contra 1800 la probabilitat que impacti contra la Terra en alguna de les aproximacions que realitzarà entre el 2178 i el 2290, especialment en la del 24 de setembre del 2182. Així doncs, l’interès de la missió OSIRIS-REx no és purament planetològica. L’impacte de l’OSIRIS-REx amb Bennu tenia com a objectiu captar mostres de l’asteroide. Havia arribat a l’entorn de l’asteroide el 3 de desembre del 2018, després d’haver estat llençada des del Cap Canaveral el 8 de setembre del 2016. És previst que el 24 de setembre del 2023, l’OSIRIS-REx llenci la càpsula amb mostres de Bennu a la Terra, i que llavors emprengui una nova missió envers un altre asteroide de risc, 99942 Apophis, a on arribarà el 2029. Abans de disposar de les mostres de Bennu, les dades directes de l’impacte ja han estat objecte de recerca. Així, aquesta setmana a la revista Science Advances apareix un article encapçalat per Kevin J. Walsh en el que descriuen que la superfície i la subsuperfície propera de l’asteroide de Bennu té una cohesió gairebé nul·la i un empacament lleuger. Era ja sabut que Bennu és un exemple d’asteroide “pila de runa”, consistent en fragments de roca en repòs en un context de microgravetat. Welsh et al., però, ens ofereixen un model més precís: la superfície de Bennu és un llit granular de cohesió gairebé nul·la que té la meitat densitat que la mitjana del petit planeta. Bennu té una massa total de 7,33·10¹⁰ kg, i la poca gravetat que en resulta no permet que hi hagi una compressió de les capes superiors, de manera que la cohesió interparticular juga un paper ben minso en la geologia de superfície. Welsh et al. indiquen que aquesta seria una característica de tota la superfície de Bennu, de 0,78 km², i no pas exclusiva del punt d’impacte d’OSIRIS-REx.

Imatges del punt d’impacte de l’OSIRIS-REx sobre Bennu del 20 d’octubre del 2020.

L’impacte d’OSIRIS-REx en l’asteroide Bennu

Aquesta investigació fou concebuda per Kevin J. Walsh, Ronald-Louis Ballouz, Edward B. Bierhaus, Harold C. Connolly Jr., Patrick Michel, Michael C. Nolan, Paul Sánchez i Daniel J. Scheeres. La metodologia fou dissenyada per Walsh, Ballouz, Erica R. Jawin, Joseph Demartini, Sánchez, Scheeres, Derek C. Richardson i Stephen R. Schwartz. La investigació fou realitzada per Walsh, Ballouz, Jawin, Olivier S. Barnouin, Bierhaus, Michel, Joshua P. Emery, Nolan, Benjamin Rozitis, Bashar Rizk, Andrew J. Ryan, Sánchez, Scheeres, Schwartz, Yun Zhang i Dante S. Lauretta. Els gràfics són obra de Welsh, Jawin, Carina A. Bennett, Brent J. Bos, Daniella N. Dellagiustina, Dathon R. Golish i Rizk. El finançament, procedent de la NASA, la National Research Agency, el CNES i d’altres, fou obtingut per Lauretta, Michel i Marco Delbo. El projecte fou administrat per Walsh, Connolly, Barnouin, Emery, Patrick C. Haas, Carl W. Hergenrother, Huikang Ma, Ryan Olds, Sanford H. Selznick i Lauretta. La supervisió la feren Walsh, Connolly, Barnouin, Emery, Olds, Selznick i Lauretta. El primer esborrany de l’article fou redactat per Walsh, Ballouz, Jawin, Chrysa Avdellidou, Barnouin, Bierhaus, Saverio Cambioni, Delbo, Joseph Demartini, Nolan, Rozitis, Richardson, Schwartz i Lauretta.

L’objectiu de la missió OSIRIS-REx de la NASA era recollir i retornar a la Terra una mostra d’un mínim de 60 grams de material superficial de l’asteroide Bennu. Aquest asteroide fou descobert per la col·laboració LINEAR (Lincoln Near-Earth Asteroid Research) l’11 de setembre del 1999, i rebé la designació provisional 1999 RQ₃₆ fins que se li donà la numeració 101955 i, a proposta de Michael Puzio, se’l batejà amb el nom de l’ocell mitològic Bennu. Bennu té un diàmetre de 500 metres i una composició carbonàcia. L’estructura de Bennu és la d’una pila de runa, integrada per còdols i grava que es reacumularen després d’una disrupció catastròfica d’un cos parental més gran.

OSIRIS-REx era equipat d’un mecanisme d’adquisició de mostra de tocar i anar (TAGSAM): un contenidor anul·lar d’alumini i una placa de 32 cm de diàmetre a l’extrem d’un braç robòsit extensible. TAGSAM només havia de contactar amb la superfície de l’asteroide durant uns segons, alliberar-hi gas nitrogen i capturar les partícules mobilitzades en la cambra de recol·lecció de mostra.

L’operació d’impacte fou fixada per al 20 d’octubre del 2020 i la localitat seleccionada era propera al centre del cràter Hokioi, una estructura de 20 metres de diàmetre situada en l’hemisferi nord de l’asteroide. TAGSAM topà de manera gairebé perpendicular amb la superfície de Bennu a una velocitat de 10 cm/s. Un segon després del contacte, alliberà gas nitrogen a alta pressió. A 6 segons del contacte, OSIRIS-REx inicià la maniobra de retrocés.

Per bé que caldrà esperar al 24 de setembre del 2023 per disposar de la mostra capturada, l’impacte mateix ja ofereix dades sobre la superfície de Bennu. Missions semblants en asteroides i cometes han fornit dades sobre la força compressiva o el coeficient de restitució. Impactes experimentals fets en el laboratori han il·lustrat sobre la dinàmica que hom esperaria en asteroides de tipus de pila de runa, i OSIRIS-REx trasllada aquestes dades a un context natural.

Walsh et al. defineixen la subsuperfície propera com els primers 10 cm de fondària de l’asteroide. En aquesta recerca utilitzen dades d’imatge i d’accelerometria per reconstruir la interacció entre TAGSAM i la regolita de Bennu durant el primer segon de l’impacte. Després, quan l’OSIRIS-REx alliberà gas nitrogen, aquest factor passà a predominar sobre les forces de contacte.

El 3 de desembre del 2018, l’OSIRIS-REx arribava a l’entorn de Bennu. En l’etapa d’investigació que arrencà des de llavors, els responsables de la missió van poder determinar una densitat mitjana de l’asteroide de 1190 kg·m³. La porositat dels còdols que integren Bennu arriba al 55%. A més, hem de considerar que la macroporositat entre els còdols seria de 12-15%. L’estudi de la superfície de Bennu revelava algunes serres de llarg recorregut, que suggerien l’existència de forces cohesives, però en general la cohesió no devia arribar a una pressió de 1 Pa. A diferència de 433 Eros o de 25143 Itokawa, a Bennu no hi ha dipòsits extensius de partícula fina i la coberta superficial de pols és mínima.

Imatges i accelerometria

La SamCam (Sample Acquisition Verification Camera) recollí imatges abans, durant i després del mostreig del 20 d’octubre del 2020. Les més rellevants foren captades a les 21:49:48.882UT i 21:49:50.101UT. En aquell moment, l’hora solar local era les 15:10, i l’angle de fase era de 60°, amb un angle d’emissió de 16° i un angle d’incidència de 71°. Aquestes dues imatges tenen una precisió tal que cada 1,5 mm de superfície es correspon a un píxel.

Les unitats de mesura inercial (IMUs) a bord de OSIRIS-REx mesuraven l’acceleració de la nau a 200 Hz. Les dades més rellevant són les del període de 21:49:49UT a 21:49:50.5UT. Per convertir les dades en newton, s’assum que la massa d’Osiris-REx era de 1391 kg.

Entre la nau i el TAGSAM hi havia vinculades al braç extensible tres ampolles de gas nitrogen d’alta pressió. L’ampolla n. 3 tenia un contingut inicial de 60,7 grams de N₂ a 2,0105·10⁷ Pa. En la interacció únicament s’utilitzà aquesta ampolla. Les dades (captades a una freqüència de 10 Hz) indiquen que no començà a davallar en pressió fins a les 21:49:50.66UT.

Entre el braç de la nau i el TAGSAM hi ha una molla telescòpica de força constant. La molla es comprèn a forces superiors a 60 N. Les dades de telemetria indiquen que no s’arribava a activar el microinterruptor associat a la molla.

La topografia de la localitat de l’impacte ha estat reconstruïda per tècniques d’estereofotoclinometria combinades per altimetria làser. La resolució és d’uns 2 cm.

A través de les imatges s’ha analitzat el perfil del cap del TAGSAM pel que fa a canvis relatius en orientació. Entre la imatge a 21:49:46.446UT anterior al contacte i la imatge 21:49:50.101UT durant el contacte hi ha un canvi de 6,8°. La reorientació de l’eix semi-major s’explicaria pel contacte amb un còdol de 5 cm durant l’impacte.

El límit superior de la força compressiva en la localitat de l’impacte seria de 125-187,5 Pa per a forces de 10-15 N en un àrea de 0,08 m². Si hom té present un canvi de velocitat de 0,4 cm/s en els primers 0,7 segons de la interacció, resulta una força compressiva màxima de 2 Pa.

Què s’ha après de la superfície de Bennu

La SamCam feia imatges cada 1,2 segons, amb una escala de píxel de 1 mm. La imatge presa 30 segons abans de l’impacte (21:49:12.362UT) mostra la presència d’un còdol de 20 cm, amb una protusió de 5 cm respecte de la superfície local. Entre les imatges SAM48 (21:49:48.882UT) i SAM50 (21:49:50.101UT) es produeix el contacte. En la SAM50 gairebé tota partícule visible s’ha mogut o reorientat al llarg de la circumferència de TAGSAM. L’àrea que patí la pertorbació de l’impacte fou de 0,51 m², encara que l’empremta de TASGSAM fou de tan sols 0,08 m². Una roca de 40 cm de longitud fou empesa cap amunt arran de l’impacte. Partícules de la vora d’un mil·límetre experimentaren una mobilitat considerable, indicativa de la mínima cohesió entre aquesta roca i les partícules del voltant.

Les dades d’accelerometria durant l’impacte mostren un augment gradual de l’acceleració. Això es deuria a l’impacte amb una roca de 5 cm d’altura. En el moment que s’obrí l’ampolla de gas nitrogen, TAGSAM havia arribat a una profunditat de 5,95-6,91 m. En tot cas, l’acceleració mai no superà els 0,014 m/s², ni les forces passaren de 10-15 N. La molla telescòpica del braç anterior de TAGSAM no arribà a experimentar compressió.

La cohesió de la regolita de Bennu no arriba a 10 Pa. La densitat per als primers 6-7 cm de la columna de l’asteroide seria de 440-600 kg·m^-3, i això probablement també val per a la capa fins a 10-20 cm de fondària.

D’aquesta manera, la superfície de Bennu té una densitat del 37-50% respecte de la densitat mitjana de tot l’asteroide. La microporositat dels còdols de Bennu podria anar del 24% (per a una densitat de 1332 kg·m^-3) al 55% (per a una densitat de 2249 kg·m^-3). La fracció d’empacament a la superfície seria de 0,2-0,45, la meitat de l’estimada per al conjunt de l’asteroide. A Bennu les forces gravitacionals són molt més rellevants que els vincles de cohesió.

La força compressiva de Bennu és comparable a l’estimada per al cometa 67P/Churyumov-Gerasimenko o per a l’asteroide Ryugu. És dos o tres ordres de magnitud inferior a l’estimada per a la Lluna.

La manca de cohesió de la superfície de Bennu també explicaria l’extensa manta d’ejectes que envolta el cràter Bralgah, o la presència de terrasses que resulten de moviments de massa. Aquesta manca de cohesió resulta de la mida i rugositat de les partícules, i de la pols intersticial. A Bennu no hi ha presència substancial de pols superficial.

Walsh et al. pensen que les característiques que han trobat per al cràter Hokioi són extensibles a tota la superfície de Bennu. De fet, el cràter Hokioi fou seleccionat per l’abundància de partícules de menys de 2 cm, de manera que a la resta de l’asteroide la manca de pols encara podria ser m´s pronunciada. La manca de cohesió és la que explicaria el moviment de materials des de latituds mitjanes cap a l’equador. L’estructura macroporosa de l’asteroide podria fomentar la percolació de partícules petites cap a l’interior.

Imatge de l’asteroide Bennu obtinguda el 2 de desembre del 2018 per OSIRIS-REx a una distància de 24 km

Lligams:

- Near-zero cohesion and loose packing of Bennu’s near subsurface revealed by spacecraft contact. Kevin J. Walsh, Ronald-Louis Ballouz, Erica R. Jawin, Chrysa Avdellidou, Olivier S. Barnouin, Carina A. Bennett, Edward B. Bierhaus, Brent J. Bossaverio Cambioni, Harold C. Connolly Jr., Marco Delbo, Daniella N. Dellagiustina, Joseph Demartini, Joshua P. Emery, Dathon R. Golish, Patrick C. Haas, Carl W. Hergenrother, Huikang Ma, Patrick Michel, Michael C. Nolan, Ryan Olds, Benjamin Rozitis, Derek C. Richardson, Bashar Rizk, Andrew J. Ryan, Paul Sánchez, Daniel J. Scheeres, Stephen R. Schwartz, Sanford H. Selznick, Yun Zhang, Dante S. Lauretta. Science Advances (2022).

- Pàgina web de la NASA OSIRIS-REx.

- OSIRIS-REx Mission Data Archive.

- SAOImageDS9.