Le matin du 15 février 2013, un petit astéroïde a explosé au-dessus de Tcheliabinsk, en Russie, envoyant une forte onde de choc et un boom sonore dans la région, endommageant des bâtiments et faisant environ 1 200 blessés. Le météore résultant, d’un diamètre d’environ 20 mètres (environ la taille d’un immeuble de six étages), était l’un des plus grands à être détectés se brisant dans l’atmosphère terrestre depuis plus de cent ans.
Une décennie plus tard, des scientifiques du programme de défense planétaire du Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) publient les détails de leurs recherches sur l’explosion d’air. L’équipe a passé les trois dernières années à modéliser et à simuler la rupture atmosphérique du météore de Tcheliabinsk. Leur étude souligne le rôle important joué par la résistance des matériaux et la rupture dans la dynamique de rupture.
Bien que divers organismes de recherche aient étudié l’événement de Tcheliabinsk, les scientifiques du LLNL ont été les premiers à simuler le météore de Tcheliabinsk en 3D avec un modèle de matériau basé sur les données de recherche des météorites récupérées de l’événement. Contrairement aux événements météoriques historiques, l’explosion aérienne de 2013 a été enregistrée sur un téléphone portable et une vidéo de caméra de sécurité sous plusieurs angles et un fragment de 500 kilogrammes a été récupéré du lac Chebarkul peu de temps après l’impact.
Leurs simulations – qui correspondaient étroitement aux événements réels observés – suggèrent que l’objet aurait pu être monolithique, ou un seul morceau de roche. Si tel était le cas, ont déclaré les chercheurs, la résistance et la fracture des matériaux ont joué un rôle important dans la rupture de l’objet et l’onde de choc qui en a résulté.
« C’est quelque chose qui ne peut vraiment être capturé qu’avec une simulation 3D », a déclaré Jason Pearl, chercheur principal du projet. « Lorsque vous combinez l’expertise spécialisée du LLNL en physique des impacts et en hydrocodes avec les capacités de calcul haute performance de pointe du laboratoire, nous étions idéalement placés pour modéliser et simuler le météore en 3D intégrale.
« Notre recherche souligne l’importance d’utiliser ces types de modèles haute fidélité pour comprendre les événements d’éclatement d’astéroïdes », a déclaré Pearl. « Beaucoup de petits astéroïdes sont des tas de décombres ou des collections de gravier spatial lâchement liées, donc la possibilité d’un monolithe est vraiment intéressante. »
L’équipe de recherche a utilisé l’hydrodynamique des particules lissées (SPH), une méthode de calcul utilisée pour simuler la dynamique de la mécanique des solides et des écoulements de fluides, pour examiner le mode de rupture d’un astéroïde monolithique de la taille de Tcheliabinsk. Dans leurs simulations, l’équipe a découvert que l’explosion d’air se produit lorsque des fissures majeures se forment sous une contrainte de traction à l’arrière de l’astéroïde. L’échelle de temps de la propagation des fissures vers l’avant de l’astéroïde contrôle le moment auquel l’astéroïde se divise en fragments plus petits lors de son entrée dans l’atmosphère terrestre. Une famille de fragments près du front de choc protège alors temporairement une région de matériau entièrement endommagé, jusqu’à ce qu’à environ 30 km au-dessus de la surface de la Terre, les fragments intacts se séparent et les débris sont exposés au flux libre. Enfin, le nuage de débris est rapidement ralenti et les fragments restants continuent de se briser en petits morceaux de roche.
Simulation 3D complète de la rupture du météore de Chelyabinsk dans l’atmosphère terrestre. Le météore est représenté par un contour de l’état des dommages (blanc intact, noir entièrement endommagé). Les nœuds d’air chauffés par choc sont affichés sous forme de points colorés par leur température. Initialement, la fracture commence à l’arrière de l’objet. La fissure se propage ensuite vers l’avant, divisant finalement l’objet en trois fragments cohérents. Les fragments sont rompus peu de temps après. Crédit : Programme de défense planétaire LLNL, YouTube
Le processus de rupture est riche en physique, a expliqué le physicien du LLNL Mike Owen. Le couplage de l’astéroïde à l’atmosphère dépend de sa surface. Plus la surface est grande, plus l’objet est exposé à la chaleur, au stress et à la pression.
« Lorsque l’astéroïde entre dans l’atmosphère, vous commencez à avoir une sorte de panne catastrophique », a déclaré Owen. « Et il a tendance à se comprimer dans le sens du déplacement. C’était comme si l’astéroïde était pressé dans le sens du déplacement, se brisant en morceaux distincts qui ont commencé à se séparer et à se briser perpendiculairement au sens du déplacement.
« Tout d’un coup, vous avez beaucoup plus de matière exposée à l’interaction hypersonique avec l’air, beaucoup plus de chaleur qui y est déversée, beaucoup plus de stress, ce qui la fait se briser plus rapidement et vous obtenez une sorte de processus d’emballement en cascade. »
Une meilleure compréhension du processus de désintégration peut être utilisée pour construire de meilleurs modèles statistiques du risque posé par les astéroïdes de la classe de taille de Tcheliabinsk. Comprendre comment ces objets se décomposent et transfèrent leur énergie dans l’atmosphère est crucial pour fournir une bonne estimation des dommages qu’ils peuvent causer et peut être utilisé pour mieux éclairer les stratégies de défense civile, a déclaré Cody Raskin du LLNL, un contributeur clé au projet.
Un objectif à long terme de cette recherche serait d’utiliser ces modèles pour évaluer les effets au sol d’un futur événement météorique, en prédisant la région qui serait potentiellement touchée.
« Notre capacité à détecter de petits astéroïdes s’est considérablement améliorée ces dernières années », a déclaré Raskin. « Si nous pouvons voir un petit astéroïde s’approcher de la Terre à temps, nous pourrions exécuter notre modèle et informer les autorités ou le risque potentiel, semblable à une carte des ouragans. Ils pourraient alors prendre les mesures de protection appropriées, telles que l’évacuation des résidents ou l’émission d’un abri dans- passer des commandes, en fin de compte sauver des vies. »
Les événements météoriques sont des catastrophes naturelles, et comme toute autre catastrophe naturelle, nous pouvons faire plus pour nous préparer, a déclaré Owen. « Ce ne sont pas des événements à haute probabilité, mais nous ne devrions pas non plus les considérer comme de la science-fiction. »