Nel 2005, la navicella spaziale Hayabusa sviluppata dalla Japan Aerospace Exploration Agency (JAXA) è atterrata su Itokawa, un piccolo asteroide vicino alla Terra che prende il nome dal famoso scienziato missilistico giapponese Hideo Itokawa. Lo scopo della missione senza equipaggio era studiare l'asteroide e raccogliere un campione di materiale da riportare sulla Terra per l'analisi. Contrariamente alle previsioni scientifiche secondo cui i piccoli asteroidi sono sterili pepite di roccia, le fotografie scattate dalla navicella spaziale Hayabusa hanno rivelato che la superficie di Itokawa è disseminata di particelle di dimensioni diverse. Ancora più sconcertante era la separazione laterale di particelle piccole e grandi - con grandi massi che occupavano gli altopiani e piccoli ciottoli che occupavano le pianure.

Ricercatori dell'Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University (OIST), Giappone, in collaborazione con ricercatori della Rutgers University, STATI UNITI D'AMERICA, hanno utilizzato una combinazione di esperimenti, simulazioni e analisi per proporre un meccanismo alla base dello smistamento laterale delle particelle su Itokawa:i piccoli ciottoli che colpiscono la superficie di Itokawa rimbalzano dai massi ma affondano nelle regioni ricche di ciottoli.

Lo smistamento delle particelle su Itokawa era precedentemente attribuito all'effetto Noce del Brasile (BNE) in cui particelle di dimensioni diverse si separano durante l'agitazione verticale sostenuta in presenza di gravità. Simile al fenomeno in cui scuotere una scatola di muesli fa salire in superficie grossi grappoli e l'avena più piccola affonda sul fondo, grandi massi salgono sulla superficie di cumuli di macerie di asteroidi, mentre i sassi più piccoli affondano. Ma anche se il BNE può spiegare i massi che salgono in superficie, non riesce a spiegare la segregazione laterale osservata delle particelle.

"Insieme ai ricercatori della Rutgers University, abbiamo trovato una ragione più semplice e più praticabile per la selezione delle dimensioni delle particelle su Itokawa, "dice il professor Pinaki Chakraborty, capo dell'Unità di Meccanica dei Fluidi dell'OIST.

Le scoperte, da pubblicare in Lettere di revisione fisica dare informazioni sulla formazione e l'evoluzione di piccoli asteroidi, fornendo una finestra sulle prime fasi del sistema solare.

Dalle fotografie, si può osservare che i volumi di massi e ciottoli sulla superficie di Itokawa sono comparabili, il che significa che devono esserci molti più sassolini per numero. Ne consegue che la maggior parte delle collisioni che hanno formato l'asteroide devono essere dovute a piccole particelle. Questo è significativo perché quando un sassolino colpisce un masso rimbalza, mentre quando colpisce un mare di altri ciottoli il suo slancio muore. I ricercatori hanno predetto che questo processo - che hanno definito "smistamento balistico" - potrebbe essere alla base del fenomeno di smistamento delle dimensioni di Itokawa.

Per verificarlo sperimentalmente, i ricercatori della Rutgers University hanno fatto cadere particelle di sabbia su un piatto di ceramica per modellare i ciottoli che si scontrano con massi e altri ciottoli. Hanno osservato che quando le particelle di sabbia colpiscono il piatto, rimbalzano, ma quando colpiscono un mucchio di sabbia, si aggregano, portando a cumuli di sabbia in crescita.

"Questi esperimenti iniziali mostrano che la sabbia che cade rimbalza lontano dai massi, ma sta vicino a regioni sabbiose, " spiega il professor Troy Shinbrot della Rutgers University e autore principale dello studio.

Prossimo, Il professor Shinbrot e colleghi hanno fatto cadere particelle di sabbia su pietre che sono state posizionate casualmente sul fondo di una scatola. Misurare le dimensioni delle isole di sabbia nel tempo, il team ha mostrato che l'area delle isole cresce secondo l'equazione di Hill, che viene utilizzato per descrivere processi in cui un accumulo iniziale favorisce un'ulteriore accumulazione.

Al fine di verificare se questi risultati sperimentali si applicano a Itokawa - che ha una gravità molto più bassa della Terra - il Dr. Tapan Sabuwala dell'Unità di Fisica del Continuum dell'OIST, ha condotto simulazioni al computer in cui ha variato la gravità e quantificato l'effetto di smistamento balistico facendo cadere sassolini su un substrato di massi e ciottoli e seguendo la traiettoria di ciascun sassolino. Scoprì che i sassi che colpiscono i massi viaggiano più lontano dei sassi che colpiscono altri sassi, indipendentemente dall'attrazione gravitazionale.

"Le nostre simulazioni confermano che i mari di ciottoli crescono perché i ciottoli in arrivo rimbalzano dalle pietre ma si scontrano in modo anelastico con altri ciottoli, " dice il dottor Sabuwala. "Abbiamo anche scoperto che lo smistamento balistico porta alla formazione di mari piatti di ciottoli nelle valli gravitazionali".

Sulla base di esperimenti e simulazioni, il team ha concluso che la deposizione di ciottoli a bassa velocità determina una crescita prevedibile dei mari di ciottoli.

"Riteniamo che lo smistamento balistico possa essere il meccanismo dominante alla base dello smistamento delle dimensioni delle particelle su piccoli asteroidi come Itokawa, " afferma il prof. Shinbrot. "Anche gli asteroidi più grandi possono essere sottoposti a cernita balistica, ma poiché sono più suscettibili agli impatti ad alta energia e ad altri fattori di disturbo del paesaggio, la situazione è più complicata".

Imaging preliminare dell'asteroide Bennu, che è di dimensioni paragonabili a Itokawa, suggerisce che mostri anche una segregazione di dimensioni laterali delle particelle sulla sua superficie. Un'esplorazione guidata dalla NASA di Bennu che inizierà nel 2018 dovrebbe fornire ulteriori informazioni sull'estensione dello smistamento balistico.

"La nostra ricerca potrebbe essere utile per le prossime missioni spaziali, in particolare nel guidare con successo gli atterraggi di veicoli spaziali sugli asteroidi, " afferma il prof. Chakraborty. "Oltre alla missione sull'asteroide Bennu, la missione Hayabusa 2 di JAXA in corso sull'asteroide Ryugu e l'imminente missione guidata dalla NASA sugli asteroidi troiani di Giove il cui lancio è previsto nel 2021, potrebbe trarre vantaggio da questa nuova scoperta".