In 2005, het Hayabusa-ruimtevaartuig, ontwikkeld door het Japan Aerospace Exploration Agency (JAXA), landde op Itokawa, een kleine nabije-aarde asteroïde vernoemd naar de beroemde Japanse raketwetenschapper Hideo Itokawa. Het doel van de onbemande missie was om de asteroïde te bestuderen en een monster materiaal te verzamelen dat naar de aarde moest worden teruggestuurd voor analyse. In tegenstelling tot wetenschappelijke voorspellingen dat kleine asteroïden kale klompjes gesteente zijn, foto's gemaakt door het Hayabusa-ruimtevaartuig onthulden dat het oppervlak van Itokawa bezaaid is met deeltjes van verschillende grootte. Nog raadselachtiger was de laterale scheiding van kleine en grote deeltjes - met grote rotsblokken die de hooglanden bezetten en kleine kiezelstenen die de laaglanden bezetten.

Onderzoekers van de Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University (OIST), Japan, in samenwerking met onderzoekers van Rutgers University, VS, een combinatie van experimenten hebben gebruikt, simulaties en analyses om een ​​mechanisme voor te stellen dat ten grondslag ligt aan de laterale sortering van deeltjes op Itokawa:kleine kiezelstenen die het oppervlak van Itokawa raken, kaatsen terug van rotsblokken maar zinken in kiezelrijke gebieden.

Het sorteren op grootte van deeltjes op Itokawa werd vroeger toegeschreven aan het Brazil Nut Effect (BNE) waarbij deeltjes van verschillende groottes van elkaar scheiden tijdens langdurig verticaal schudden in aanwezigheid van zwaartekracht. Vergelijkbaar met het fenomeen waarbij het schudden van een doos muesli ervoor zorgt dat grote trossen naar de oppervlakte komen en kleinere haver naar de bodem zinken, grote rotsblokken stijgen naar het oppervlak van asteroïde puinhopen, terwijl kleinere kiezelstenen zinken. Maar zelfs als de BNE keien kan verklaren die naar de oppervlakte komen, het kan de waargenomen laterale segregatie van deeltjes niet verklaren.

"Samen met onderzoekers van Rutgers University, we hebben een eenvoudigere en meer haalbare reden bedacht voor het sorteren van deeltjes op Itokawa, " zegt professor Pinaki Chakraborty, hoofd van de vloeistofmechanica-eenheid van OIST.

De bevindingen, gepubliceerd worden in Fysieke beoordelingsbrieven inzicht geven in de vorming en evolutie van kleine asteroïden, het verstrekken van een venster op de vroege stadia van het zonnestelsel.

Van de foto's, het kan worden waargenomen dat volumes van keien en kiezelstenen op het oppervlak van Itokawa vergelijkbaar zijn, wat betekent dat er veel meer kiezelstenen op nummer moeten zijn. Hieruit volgt dat de meeste botsingen die de asteroïde hebben gevormd, afkomstig moeten zijn van kleine deeltjes. Dit is belangrijk omdat wanneer een kiezelsteen een rotsblok raakt, het terugkaatst, terwijl wanneer het een zee van andere kiezelstenen raakt, het momentum sterft. De onderzoekers voorspelden dat dit proces - dat ze 'ballistische sortering' noemden - ten grondslag zou kunnen liggen aan Itokawa's fenomeen van groottesortering.

Om dit experimenteel te testen, onderzoekers van Rutgers University lieten zanddeeltjes op een keramische plaat vallen om kiezelstenen te modelleren die botsen met keien en andere kiezelstenen. Ze zagen dat wanneer zanddeeltjes de plaat raken, ze stuiteren af, maar toen ze een berg zand raakten, zij aggregeren, leidt tot groeiende zandhopen.

"Deze eerste experimenten laten zien dat vallend zand wegstuitert van rotsblokken, maar blijft in de buurt van zandgebieden, " legt professor Troy Shinbrot van de Rutgers University en hoofdauteur van de studie uit.

Volgende, Prof. Shinbrot en collega's lieten zanddeeltjes vallen op stenen die willekeurig op de bodem van een doos werden geplaatst. Het meten van de grootte van de zandeilanden in de tijd, het team toonde aan dat het gebied van de eilanden groeit volgens de Hill-vergelijking, die wordt gebruikt om processen te beschrijven waarbij een initiële accumulatie verdere accumulatie bevordert.

Om te testen of deze experimentele resultaten van toepassing zijn op Itokawa - dat een veel lagere zwaartekracht heeft dan de aarde - Dr. Tapan Sabuwala van de Continuum Physics Unit van OIST, voerde computersimulaties uit waarin hij de zwaartekracht varieerde en het ballistische sorteereffect kwantificeerde door kiezelstenen op een substraat van keien en kiezelstenen te laten vallen en het traject van elke kiezelsteen te volgen. Hij ontdekte dat kiezelstenen die keien raken, verder reizen dan kiezels die andere kiezels raken, ongeacht de zwaartekracht.

"Onze simulaties bevestigen dat kiezelzeeën groeien omdat inkomende kiezelstenen terugkaatsen van stenen maar niet elastisch botsen met andere kiezelstenen, " zegt Dr. Sabuwala. "We vinden ook dat ballistische sortering leidt tot de vorming van platte kiezelzeeën in zwaartekrachtvalleien."

Op basis van zowel experimenten als simulaties, het team concludeerde dat lage snelheidsafzetting van kiezelstenen resulteert in een voorspelbare groei van kiezelzeeën.

"Wij geloven dat ballistische sortering het dominante mechanisme kan zijn dat ten grondslag ligt aan het sorteren van deeltjes op kleine asteroïden zoals Itokawa, " zegt prof. Shinbrot. "Grotere asteroïden kunnen ook ballistisch worden gesorteerd, maar omdat ze vatbaarder zijn voor hoge energie-effecten en andere landschapverstorende factoren, de situatie is ingewikkelder."

Voorlopige beeldvorming van asteroïde Bennu, die qua grootte vergelijkbaar is met Itokawa, suggereert dat het ook zijdelingse groottescheiding van deeltjes op het oppervlak vertoont. Een door NASA geleide verkenning van Bennu die in 2018 begint, zal naar verwachting meer inzicht geven in de omvang van ballistische sortering.

"Ons onderzoek kan nuttig zijn voor komende ruimtemissies, met name bij het begeleiden van succesvolle landingen van ruimtevaartuigen op asteroïden, " zegt prof. Chakraborty. "Naast de missie naar asteroïde Bennu, lopende JAXA's Hayabusa 2-missie naar asteroïde Ryugu en de aanstaande door NASA geleide missie naar Jupiter's Trojaanse asteroïden die in 2021 worden gelanceerd, zou kunnen profiteren van deze nieuwe bevinding."