En 2005, la nave espacial Hayabusa desarrollada por la Agencia de Exploración Aeroespacial de Japón (JAXA) aterrizó en Itokawa, un pequeño asteroide cercano a la Tierra que lleva el nombre del famoso científico espacial japonés Hideo Itokawa. El objetivo de la misión no tripulada era estudiar el asteroide y recolectar una muestra de material que se devolvería a la Tierra para su análisis. Contrariamente a las predicciones científicas de que los pequeños asteroides son pepitas de roca estériles, Las fotografías tomadas por la nave espacial Hayabusa revelaron que la superficie de Itokawa está llena de partículas de diferentes tamaños. Aún más desconcertante fue la separación lateral de partículas pequeñas y grandes, con grandes rocas ocupando las tierras altas y pequeños guijarros ocupando las tierras bajas.

Investigadores de la Universidad de Graduados del Instituto de Ciencia y Tecnología de Okinawa (OIST), Japón, en colaboración con investigadores de la Universidad de Rutgers, ESTADOS UNIDOS, han utilizado una combinación de experimentos, simulaciones y análisis para proponer un mecanismo subyacente a la clasificación lateral por tamaño de partículas en Itokawa:pequeños guijarros que golpean la superficie de Itokawa rebotan en los cantos rodados pero se hunden en regiones ricas en cantos rodados.

La clasificación por tamaño de las partículas en Itokawa se atribuía anteriormente al efecto de la nuez de Brasil (BNE) en el que las partículas de diferentes tamaños se separan durante la agitación vertical sostenida en presencia de la gravedad. Similar al fenómeno en el que agitar una caja de granola hace que grandes racimos suban a la superficie y la avena más pequeña se hunda hasta el fondo, grandes rocas se elevan a la superficie de las pilas de escombros de asteroides, mientras que los guijarros más pequeños se hunden. Pero incluso si la BNE puede explicar los cantos rodados que suben a la superficie, no explica la segregación lateral de partículas observada.

"Junto con investigadores de la Universidad de Rutgers, hemos encontrado una razón más simple y viable para la clasificación por tamaño de partículas en Itokawa, "dice el profesor Pinaki Chakraborty, jefe de la Unidad de Mecánica de Fluidos de OIST.

Los resultados, para ser publicado en Cartas de revisión física dar información sobre la formación y evolución de pequeños asteroides, proporcionando una ventana a las primeras etapas del sistema solar.

De las fotografías, se puede observar que los volúmenes de cantos rodados y guijarros en la superficie de Itokawa son comparables, lo que significa que debe haber muchos más guijarros por número. De ello se deduce que la mayoría de las colisiones que formaron el asteroide deben haber sido por partículas pequeñas. Esto es importante porque cuando un guijarro golpea una roca, rebota, mientras que cuando choca contra un mar de otros guijarros, su impulso muere. Los investigadores predijeron que este proceso, al que denominaron "clasificación balística", podría ser la base del fenómeno de clasificación por tamaño de Itokawa.

Para probar esto experimentalmente, Los investigadores de la Universidad de Rutgers arrojaron partículas de arena sobre una placa de cerámica para modelar los guijarros que chocan con los cantos rodados y otros guijarros. Observaron que cuando las partículas de arena golpean la placa, rebotan pero cuando chocan contra un montículo de arena, ellos agregan, conduciendo a montones de arena crecientes.

"Estos experimentos iniciales muestran que la arena que cae rebota en los cantos rodados, pero se queda cerca de las regiones arenosas, "explica el profesor Troy Shinbrot de la Universidad de Rutgers y autor principal del estudio.

Próximo, El profesor Shinbrot y sus colegas arrojaron partículas de arena sobre piedras que se colocaron al azar en el fondo de una caja. Midiendo el tamaño de las islas de arena a lo largo del tiempo, el equipo demostró que el área de las islas crece de acuerdo con la ecuación de Hill, que se utiliza para describir procesos en los que una acumulación inicial promueve una mayor acumulación.

Para probar si estos resultados experimentales se aplican a Itokawa, que tiene una gravedad mucho menor que la Tierra, el Dr. Tapan Sabuwala de la Unidad de Física Continua de OIST, realizó simulaciones por computadora en las que varió la gravedad y cuantificó el efecto de clasificación balística al dejar caer guijarros sobre un sustrato de rocas y guijarros y rastrear la trayectoria de cada guijarro. Descubrió que los guijarros que golpean los cantos rodados viajan más lejos que los guijarros que golpean otros guijarros, independientemente de la atracción gravitacional.

"Nuestras simulaciones confirman que los mares de guijarros crecen porque los guijarros entrantes rebotan de las piedras pero chocan de forma inelástica con otros guijarros, ", dice el Dr. Sabuwala." También encontramos que la clasificación balística conduce a la formación de mares de guijarros planos en valles gravitacionales ".

Basado en experimentos y simulaciones, el equipo concluyó que la deposición de guijarros a baja velocidad da como resultado un crecimiento predecible de los mares de guijarros.

"Creemos que la clasificación balística puede ser el mecanismo dominante que subyace a la clasificación por tamaño de partículas en pequeños asteroides como Itokawa, ", dice el profesor Shinbrot." Los asteroides más grandes también pueden someterse a clasificación balística, pero debido a que son más susceptibles a impactos de alta energía y otros factores que alteran el paisaje, la situación es más complicada ".

Imágenes preliminares del asteroide Bennu, que es comparable en tamaño a Itokawa, sugiere que también exhibe segregación de partículas de tamaño lateral en su superficie. Se espera que una exploración de Bennu dirigida por la NASA que comience en 2018 brinde más información sobre el alcance de la clasificación balística.

"Nuestra investigación puede ser útil para próximas misiones espaciales, particularmente en la orientación de aterrizajes exitosos de naves espaciales en asteroides, "dice el profesor Chakraborty." Además de la misión al asteroide Bennu, la misión Hayabusa 2 de JAXA en curso al asteroide Ryugu y la próxima misión dirigida por la NASA a los asteroides troyanos de Júpiter que se lanzará en 2021, podría beneficiarse de este nuevo hallazgo ".