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

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. La sonde New Horizons a survolé le système de Pluton en août 2015 et poursuit son voyage vers un KBO (survol janvier 2019). Le système de Pluton comprend deux objets différenciés avec Pluton et Charon, et quatre petits objets glacés Nix, Hydra, Styx et Kerberos qui sont des débris issus de la collision entre un proto-Pluton avec un impacteur KBO massif. Ces petits satellites ne sont pas primitifs et ont plutôt un albédo élevé, mais la présence de composés orga,niques rouges à leur surface fait d'eux des cibles privilégies pour étudier la formation d'organiques par space weathering. La sonde survolera le KBO 2014 MU69 (35-50 km) en janvier 2019 et collectera des images visible et infrarouge. Le couplage de la morphologie et des caractéristiques spectrales aidera à contraindre le degré de transformation de la surface par impact et space weathering. Les petits KBOs primitifs semblent être classifiés en deux groupes: sombre et neutre (pv ~ 5 %), et clair et rouge (pv ~15 %). De nouvelels informations sur l'origine et la nature de ces composés non-glacés, et de fait sur l'origin des deux populations d'objets, pourraient être apportées par la mission New Horizons. Le sujet de thèse est focalisé sur l'interprétation sur des données issues des missions Rosetta et New Horizons. A premier 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. Un second objectif de la thèse consiste à étudier l'évolution de glaces et de solides organiques simples présents à la surface de petits objets planétaires dépourvus d'atmosphère, en particulier ceux du système de Pluton et les KBOs. Des matériaux modèles de solides organiques seront produits par des réacteurs à plasma froid par le biais du PIIM et d'une collaboration avec le LATMOS. Ces matériaux aisni que des glaces simples (e.g. CH4) seront irradiés avec des sources d'énergie cohérentes avec l'environnement énergétique des surfaces de petits corps (e.g. photons EUV diffusés par le MIS local, vent solaire, éruption et rayonnement Galactic Cosmic Rays). Les irradiations photoniques seront réalisées à l'IPAG avec une lampe H2 , tandis que les irradiations ioniques seront effectuées au CSNSM (Université Paris-Sud) et au GANIL (Caen). Les échantillons irradiés seront caractérisés in situ par spectroscopie IR, et ex situ par microscopie IR, Raman et d'autres techniques usuelles en sciences des matériaux. Ces expériences seront utilisées pour interpréter les données hyperspectrales de l'instruments RALPH à bord de la sonde New Horizons.

  • Titre traduit

    Solid organics in small icy bodies : experimental approaches and interpretation of Rosetta and New Horizons 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. In addition, the New Horizons spacecraft has surveyed the Pluto system in August 2015 and is pursuing its journey towards a KBO (arrival January 2019). The Pluto system includes two diferentiated bodies as Pluto and Charon, and four small-sized icy satellites Nix, Hydra, Styx and Kerberos which are debris inherited from the collision of a proto Pluto with a large KBO impactor. These small icy bodies are not primitive and have rather high albedo, but the presence of organic red materials on their surfaces make them as good targets for studying the formation of organics by space weathering. The spacecraft will survey the KBO 2014 MU69 (35-50 km across) in January 2019 and will collect visible and infrared images. Coupling morphology and spectral characteristics will help constraint the degree of processing of the surface by impacts and space weathering. Primitive (small)KBOs seems to be classified into two groups : dark neutral (pv ⇠ 5 %) and bright red objects (pv ⇠ 15 %). New insights into the carrier and nature (primitive or irradiation induced) of the non-icy materials of KBO, and thus on the origin of the two populations of objects, might be provided by New Horizons. This PhD is focused on the interpretation on some of those space missions data, based on laboratory experiments. A first 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. A second objective will consist in studying the evolution of simple ices and organic solids at the surface of airless planetary bodies, and in particular the Pluto system and KBOs. Analogs of planetary solid organics will be produced in cold plasma reactors through a collaboration with LATMOS and at PIIM. These materials and simple ice samples (e.g. CH4 ice) will be irradiated with energy source relevant to the conditions acting in the Pluto system and at the surface of KBOs (e.g. EUV photons scattered by local ISM, Solar wind and flare and Galactic Cosmic Rays). Photon irradiations will be run at IPAG with a H2 lamp, while ion irradiations will be performed either at CSNSM (Universit ́e Paris Sud) and in GANIL (Grand Acc ́el ́erateur National d'Ions Lourds). The irradiated samples will be characterized in situ during irradiation by infrared spectroscopy, and ex situ with visible and FTIR spectroscopy, Raman micro-spectroscopy and other techniques usually used in material sciences. These experiments will be used for interpreting hyperspectral data from the Ralph instrument aboard New Horizons.