Solides organiques dans les petits corps glacés: approches expérimentales et interprétation des données spectrales issues des missions Rosetta

par Istiqomah Istiqomah

Projet de thèse en Sciences de la Terre et de l'Univers et de l'Environnement

Sous la direction de Eric Quirico et de Patrice Theule.

Thèses en préparation à Grenoble Alpes , dans le cadre de Terre, Univers, Environnement , en partenariat avec Institut de Planetologie et d'Astrophysique de Grenoble (laboratoire) depuis le 01-09-2016 .


  • Résumé

    La nature et l'origine de la matière organic (OM) dans les comètes, les astéroïdes et les objets de la ceinture de Kuiper (KBOs) est une problématique majeure de la cosmochimie moderne. Les petits corps ont largement échappé aux processus intensifs de l'évolution planétaire and ainsi préservent des composés organiques primitifs formés dans le disque protosolaire, ou hérités du nuage moléculaire à partir duquel le système solaire s'est formé. A cet égard, ces composés peuvent apporter des indications sur la chimie du carbone dans le disque protosolaire ou du milieu interstellaire local il y a 4.55 Gyrs, en particulier sur les processus ayant conduit à une complexification moléculaire abiotique, et qui ont participé à l'apport de volatiles sur la planètes telluriques. Etudier la matière organique dans les petits corps repose sur trois approches: i) l'analyse en laboratoire de cosmomatériaux (météorites, interplanetary dust particles et grains cométaires) collectés dans l'espace ou l'environnement terrestre ; ii) l'analyse de spectres VNIR collectés depuis le sol ou des satellites; iii) l'exploration in situ par des missions spatiales au travers d'une large batterie d'instruments, dont la spectro-imagerie VNIR. Nous entrons dans une nouvelle ère de l'exploration des petits corps, au regard des missions spatiales en cours ou à venir qui ont pour objectif l'étude de comètes, astéroïdes ou KBOs. La mission Rosetta explore la comète 67P/Churyumov-Gerasimenko depuis juillet 2014. Une cartographie du noyau dans les gammes visible et proche infrarouge a été réalisée, ainsi qu'une analyse de la surface et subsurface par différents instruments localisés sur l'orbiteur et l'atterriseur Philae. Un volume de données important a été obtenu, dont l'analyse va continuer sur plusieurs années après la fin de la mission en septembre 2016. Les mesures de la caméra OSIRIS et du spectro-imageur VIRTISont déjà fourni de précieux indices sur la composition de la surface, la morphologie des terrains et l'influence de l'activité de la comète sur les processus de rajeunissement de la surface. Le sujet de thèse est focalisé sur l'interprétation sur des données issues des missions Rosetta. L'objectif a pour but d'identifier les composés à l'origine de la bande à 3.2 µm dans les spectres de l'instrument VIRTIS de la comète 67P/CG. Cette bande a été assignée à des composés organiques semi-volatiles, formés par sublimation de la glace cométaire. Des acides carboxyliques sont supposés être les principaux contributeurs, mais à ce jour il n'y a pas d'identification définitive. Cette interprétation doit être testée par des expériences de laboratoire. Les conditions physiques à la surface de la comètes doivent être reproduites afin de produire des matériaux instables dans les conditions terrestres CNTP. La trame de travail inclut les objectifs suivants: i) une étude systématique FTIR d'acides carboxyliques purs et à l'état de mélanges, permettant d'explorer les paramètres contrôlant la largeur et la position de la bande à 3.2 µm. Nous nous attendons à une dépendance avec la concentration en acides carboxyliques due aux interactions par liaison hydrogène. Cet effet est observé en phase liquide, et doit être testé en phase solide. ii) La matière organique soluble (SOM) extraite des chondrites carbonées primitives est un mélange moléculaire complexe dominé par les acides carboxyliques. Cette phase peut être un matériau modèle naturel de la bande à 3.2 µm, et aider à explorer les liens génétiques en comètes et corps parents de ces chondrites. La composition globale de cette phase est inconnue, ainsi que ses propriétés infrarouges. La candidate devra développer des protocoles d'extraction et de purification (en particulier soustraire les ions sulfates), produire des films minces de bonne qualité optique les propriétés d'absorption et si possible des constantes optiques. iii) A la surface de la comète, plusieurs solides semi-volatiles métastables peuvent être présents. L'élucidation de leur nature et de leurs propriétés optiques nécessitent des expériences à basse température dédiées, consistant à exposer des glaces à des processus énergétiques photoniques ou radiolytiques, ou à une simple activation thermique. Des expérience seront conduites à l'IPAG et au PIIM, tirant profit de la complémentarité des systèmes expérimentaux. Ces activités expérimentales seront directement valorisées par l'interprétation des données spectrales de VIRTIS.

  • Titre traduit

    Solid organics in small icy bodies : experimental approaches and interpretation of Rosetta spectral data.


  • Résumé

    The nature and origin of Organic Matter (OM) in comets, asteroids and Kuiper Belt Objects (KBOs) is a major issue in modern cosmochemistry. Small bodies have largely escaped extensive planetary processes and thus preserve primitive organics that were formed in the protosolar disk, or were inherited from the molecular cloud from which the solar system formed. In this respect, their organics should provide insights into the carbon chemistry in the proto-solar disk and/or the local interstellar medium 4.55 Gyrs ago, in particular those processes that lead to abiotic molecular complexification, and might also help understand the origin of volatiles in telluric planets. Investigating the nature of OM in small bodies relies on three main approaches : i)analysis in the laboratory of cosmomaterials (meteorites, interplanetary dust particles and cometary grains) recovered in space or in Earth environment ; ii) analysis of VNIR spectra collected from ground- or satellite-based observations ; and iii) in situ exploration by space missions through an array of instruments, including VNIR spectral imaging. We are now entering a new era of small bodies exploration, in regard of present and forthcoming space missions that aim at investigating comets, asteroids and KBOs. The Rosetta mission has been exploring comet 67P/Churyumov-Gerasimenko since July 2014. Extensive visible and infrared mappings have been achieved, along with surface and sub surface analysis by numerous instruments aboard the orbiter and the lander Philae. An enormous wealth of information has been collected, whose analysis will continue over several years after the end of the mission on September 2016. The measurements of the OSIRIS camera and of the VIRTIS imaging spectrometer have provided new insights into surface composition, terrains morphology and its connection with comet activity and surface rejuvenation processes. This PhD is focused on the interpretation on some of this space mission data, based on laboratory experiments. The objective aims at investigating the carrier of the so-called 3.2 μm band in the VIRTIS spectra of 67P/CG. This feature has been assigned to so-called semi-volatile organics which are presumably leftovers of ice sublimation, and results from the contribution of di↵erent molecular species. Carboxylic acids are suspected to be the main contributors, but there is to date no firm identification. This interpretation must be now tested through laboratory experiments. The physical conditions at the surface of a comet must be reproduced in order to produce materials unstable in (terrestrial)normal temperature and pressure conditions, both in terms of composition and structure.The general framework includes the following tasks. i) A systematic FTIR study of pure and mixed (with other organics) carboxylic acids will be run in order to explore the parameters that control the broad feature around 3 μm due to -OH stretching vibrations.We expect a width dependence upon the acid concentration due to hydrogen bonding athigh acid concentration. This efect is observed in the liquid state, and must be tested insolid state at low temperature. ii) Soluble Organic Matter (SOM) from primitive carbonaceous chondrites is a complex molecular mixture dominated by carboxylic acids. This phase may be a natural analog of the 3.2 μm band carrier, and might help understand genetic links between comets and chondrites parent bodies. The bulk composition of this phase is however unknown, and its infrared properties as well. The candidate will have to develop extraction and purification protocols (in particular for removing sulfate ions that blur spectra), to produce thin films of high optical quality and to determine the infrared properties and possibly optical constants. iii) At the surface of the comet, several metastable and semi-volatile solids may be present. Their nature and spectroscopic properties require dedicated low-temperature experiments consisting in exposing ice mixtures to energetic processes and thermal activation. For this purpose, experiments will be run either in IPAG or PIIM, as both experimental set-up are complementary. These experimental activities will be combined with the analysis of VIRTIS hyperspectral data.