Histoire thermique des Objets Transneptuniens éclairé par les observations de JWST

par Robin MÉTayer

Projet de thèse en Astrophysique

Sous la direction de Aurélie Guilbert-lepoutre et de Cathy Quantin-nataf.

Thèses en préparation à Bourgogne Franche-Comté , dans le cadre de École doctorale Carnot-Pasteur (Besançon ; Dijon ; 2012-....) , en partenariat avec UTINAM - Univers, Temps-fréquence, Interfaces, Nanostructures, Atmosphère et environnement, Molécules (laboratoire) depuis le 01-09-2018 .


  • Résumé

    Comme tous les petits corps, les Objets TransNeptuniens (TNOs) sont les laissés pour compte de la formation de la planète, du matériel qui n'a pas été accrété par les planètes au cours de leur formation. À cet égard, ils détiennent des indices précieux sur la formation et l'évolution de notre système solaire, en particulier sur les conditions chimiques et thermiques qui ont régné dans cette région critique de notre disque protoplanétaire où plusieurs lignes de glace se trouvaient. Le cryovolcanisme sur les TNOs de taille intermédiaire est cependant une perspective intrigante, car ces objets sont généralement jugés trop petits pour soutenir toute activité géologique. Cependant, d'un point de vue observationnel, plusieurs composés - détectés en raison de signatures spécifiques dans les spectres du proche infrarouge des TNOs - suggèrent une activité cryovolcanique passée ou récente. Ce projet sera mené selon deux approches complémentaires : grâce à du temps garanti d'observations (GTO) avec NIRSpec) A ce jour, seuls quelques TNOs de taille intermédiaire ont été caractérisés par une spectroscopie d'une qualité suffisante pour tirer des conclusions sur les processus responsables de leur composition de surface actuelle. À cet égard, JWST et son spectromètre «NIRSpec» devraient apporter une amélioration substantielle, en augmentant à la fois la qualité des spectres observés et le nombre d'objets observés. De plus, la variété de composés chimiques attendus à la surface des TNOs de taille intermédiaire a été détectée jusqu'à présent à travers les harmoniques et les bandes de combinaison jusqu'à 2,5 microns (la seule fenêtre accessible depuis le sol), mais ils peuvent facilement être identifiés par leurs bandes d'absorption fondamentales dans la région de 3-5 microns. Par exemple, l'ammoniac a été détecté sur Charon et peut-être Orcus, et a été postulé pour être due à l'écoulement d'eau liquide riche en ammoniac à leur surface. La preuve que les TNOs de taille intermédiaire entretiennent une activité cryovolcanique inclurait la présence d'ammoniac sur tous les objets de taille intermédiaire sur lesquels une absorption substantielle de glace à l'eau est présente. Sur des objets comme Quaoar ou Sedna, la présence d'ammoniac dans les spectres peut être cachée par la dominance des bandes d'absorption du méthane. Cependant, les deux composés (ammoniac et méthane) peuvent être discriminés en raison de différentes caractéristiques au-delà de 3 microns. La première partie du travail sera de simuler les spectres de composition attendue pour une large gamme de TNOs afin de développer une base de données spectrales de spectres simulés. La deuxième partie de ce paquet de travail sera d'exploiter les premières données collectées par NIRSpec grâce à la base de données de spectres simulée. L'observation des TNO par NIRSpec (dirigée par Aurélie Guilbert-Lepoutre) est prévue pour début 2020. Les spectres obtenus par ce programme feront partie des premiers spectres jamais observés avec JWST, et constitueront un précédent pour l'étude des TNOs. L'objectif de ce workpackage est de caractériser la composition en surface des TNOs de grande et moyenne taille, à la recherche de preuves de cryovolcanisme. 2) Modélisation de l'évolution des TNOs de taille intermédiaire Les TNOs peuvent être considérés comme des objets similaires aux satellites de glace des planètes géantes. Les connaissances et les modèles de la communauté des satellite de glace s'appliquent aux plus grands TNO, qui sont maintenant considérés comme des mini-mondes différenciés, avec une possible évolution géologique sur des échelles de temps géologiques. Dans ce workpackage, nous développerons un nouveau modèle pertinent pour l'étude du cryovolcanisme sur les TNOs pour un grand nombre d'objets, en tenant compte du chauffage par accrétion si jugé pertinent, du chauffage radiogénique à court et long terme et du chauffage de marée le cas échéant. Stratégiquement, ce modèle sera développé à partir de modèles existants (par exemple Guilbert-Lepoutre et al., 2011) afin que le processus de différenciation, l'activité cryovolcanique et les interactions surface-intérieur puissent être étudiés en détails et plus précisément que ce qui est actuellement possible. Le modèle sera appliqué aux cibles des programmes GTO sur JWST/NIRSpec.

  • Titre traduit

    Thermal history of TNOs (Transneptunian Objects) as revealed by JWST observations


  • Résumé

    Like all small bodies, TransNeptunian Objects (TNOs) are the leftovers of planet formation, pieces of material which were not accreted by planets during their formation. In this regard, they hold invaluable clues on the formation and evolution of our planetary system, in particular on the chemical and thermal conditions that prevailed in this critical region of our protoplanetary disk where various ice lines were located. Cryovolcanism on mid-sized TNOs is an intriguing prospect though, as these objects are generally deemed too small to sustain any geophysical activity. However, from an observational point of view, several compounds - detected due to specific signatures in the near-infrared spectra of TNOs - are suggestive of past or recent cryovolcanic activity. This project will be conducted by two complementary approaches: 1) Preparation and observation of mid-sized TNOs by JWST (by Guaranteed Time Observations (GTO) with NIRSpec) As of today, only a few mid-sized TNOs have been characterized by spectroscopy with a quality sufficient to draw conclusions on the processes responsible for their current surface composition. In this regard, JWST and its spectrometer ‘'NIRSpec'' is expected to provide a substantial improvement, by increasing both the quality of observed spectra and the number of observed objects. In addition, the variety of chemical compounds expected to be present at the surface of mid-sized TNOs have been detected so far through the overtones and combination bands present up to 2.5 microns (the only window accessible from the ground), but they can more easily be identified by their fundamental absorption bands in the 3-5 micron region. For example, ammonia has been detected on Charon and possibly Orcus, and was postulated to be due to the flow of ammonia-rich liquid water onto the surface of these objects. Evidence that mid-sized TNOs sustained cryovolcanic activity would include the presence of ammonia on every mid-sized objects on which substantial water ice absorption is present. On objects like Quaoar or Sedna, the presence of ammonia in the spectra may be hidden by the dominating methane absorption feature. However, both compounds (ammonia and methane) can be discriminated owing to different features beyond 3 microns. The first part of the work package will be to simulate spectra of expected composition for a large range of TNOs in order to develop a spectral database of simulated spectra. The second part of this work package will be to exploit the first data collected by NIRSpec thank to the simulated spectra database. Observation of TNOs by NIRSpec (leaded by Aurélie Guilbert-Lepoutre) are scheduled for early 2020. The spectra obtained by this program will be among the first spectra ever observed with JWST, and will mark a precedent for the study of TNOs. The objective of this workpackage is to characterize the surface composition of large and mid-size TNOs looking for evidence for cryovolcanism. 2) Modeling the evolution of mid-sized TNOs TNOs can be regarded as objects similar to icy satellites of the giant planets. The viewpoint and models of the icy-satellite community apply to the largest TNOs, which are now confirmed differentiated mini-worlds, with possible geophysical evolution over geological timescales. In this workpackage, we will develop a new model relevant to the study of cryovolcanism among TNOs for a large number of objects, accounting for accretional heating if deemed relevant, short- and long-term radiogenic heating, and tidal heating when relevant. Strategically, they will elaborate upon existing models (e.g. Guilbert-Lepoutre et al., 2011) so that the differentiation process, cryovolcanic activity, and surface-interior interactions can be studied in details and more accurately than is currently doable. The model will be applied to the targets of the GTO programs on JWST/NIRSpec.