Granular size segregation in rubble-pile asteroids
Ségrégation granulaire dans les astéroïdes lâchement agglomérés
Résumé
This thesis focuses on particle size segregation in rubble-pile asteroids, mostly by using numerical methods, but also with an experimental exploration. It is motivated by the fact that some asteroids are not monolithic, but instead consist of a assembly of rocks held together by gravitation, like for instance asteroid Itokawa. One notices an accumulation of big boulders at the surface, with a heterogeneous distribution. Given the mechanical environment of asteroids, size sorting processes are good candidates to explain these patterns.The first part of the numerical work deals with a simplified problem : simulating 2D circular asteroids undergoing isotropic and periodic expansions. In this case, we observe a radial segregation and we quantify its typical speed and strength, highlighting the strong role played by friction and rotation. We also observe and study an angular segregation, with the big grains gathering into lobes at the surface, like on Itokawa.Then, we modified the agregate's topology, which led to observing the analogous of radial and angular segregations. This enabled us to quantify the inter-lobes distance. We also studied the segregation process when the asteroid undergoes collisions: the impact velocity and the grains elasticity thus play an important role. Furthermore, we extended our numerical study to the case of 3D spherical asteroids, and observed very interesting dynamics linking radial and angular segregations with the formation of opposed lobes of big grains. This is very significant considering the surface of Itokawa.Finally, we built a simple experiment dedicated to the study of granular segregation in a central force field.
Cette thèse porte sur la ségrégation granulaire au sein des astéroïdes lâchement agglomérés, avec une approche surtout numérique mais aussi expérimentale. Ce travail est motivé par l’observation d’astéroïdes non monolithiques, mais formés de différents blocs maintenus ensemble par la gravitation, comme par exemple l’astéroïde Itokawa. On y constate la présence de nombreux gros rochers à la surface, et une inhomogénéité de leur répartition. Au vu des sollicitations mécaniques subies par les astéroïdes, un processus de ségrégation granulaire peut expliquer ces observations. Un premier travail numérique porte sur un problème modèle : un astéroïde bidimensionnel, circulaire, soumis à des expansions isotropes et périodiques. Dans ce cadre, nous observons une ségrégation radiale, dont nous quantifions la netteté et la rapidité, avec un rôle important joué par le frottement solide et la rotation des grains. De plus, nous observons et étudions une ségrégation angulaire : les gros grains forment des lobes à la surface, rappelant le cas d’Itokawa. Nous avons ensuite modifié la topologie de l’agrégat, retrouvant alors des analogues à la ségrégation radiale et à la ségrégation angulaire. Nous mettons ainsi en évidence une longueur d’onde typique quantifiant la distance entre lobes. Nous avons également étudié la ségrégation sous collisions, la vitesse d’impact et l’élasticité des contacts jouant alors un rôle important. Enfin, l’étude a été étendue au cas d’astéroïdes tridimensionnels sous expansions isotropes, montrant une dynamique particulière liant fortement ségrégation radiale et angulaire, et des lobes antipodaux de gros grains. Cela est très significatif vis-à-vis du cas d’Itokawa. Enfin, nous avons construit une expérience permettant d’étudier la ségrégation en champ gravitationnel central.
Origine : Version validée par le jury (STAR)