Detection and dynamics of satellite exospheres

par Apurva Oza

Thèse de doctorat en Planétologie et Instrumentation Spatiale

Sous la direction de Jean-Jacques Berthelier et de François Leblanc.

Soutenue le 28-09-2017

à Paris 6 , dans le cadre de École doctorale Astronomie et astrophysique d'Île-de-France (Meudon, Hauts-de-Seine) , en partenariat avec Laboratoire Atmosphères, Milieux, Observations Spatiales (laboratoire) .

Le président du jury était Bruno Sicardy.

Le jury était composé de Olivier Witasse, Alain Doressoundiram, Anna Mililo.

Les rapporteurs étaient Iannis Dandouras, Joachim Saur.

  • Titre traduit

    Détection et de la dynamique des exosphères satellitaires


  • Résumé

    Je présente une analyse multidisciplinaire du comportement d’une exosphère d’un satellite dont la limite inférieure est une surface solide. Une exosphère par définition n’a pas de limite supérieure, est constituée d’un gaz dont la dynamique n’est pas régie par des collisions et correspond à la région d’interaction entre un objet planétaire et sa planète mère ou étoile. Dans cette thèse, je montrerai qu’une population exosphérique d’un satellite qui serait volatile et dont la dynamique serait fortement dépendante de la température de surface, aura une évolution orbitale synchrone avec le cycle diurne. Par exemple, l’oxygène moléculaire autour d’Europa et de Ganymède, satellites de Jupiter,devrait suivre une telle évolution. Je m’attacherai donc à comparer les résultats d’un modèle 3D Monte Carlo reconstruisant l’évolution de cette exosphère et les observations d’émissions aurorales par le télescope Hubble pour souligner la persistance d’une asymétrie matin/soir caractéristique de ce cycle diurne. Par ailleurs,une analyse plus théorique de l’origine de cette asymétrie nous suggère qu’un réservoird’O2 sous forme gazeuse dans le régolite pourrait être à l’origine de la formation de cette exosphère. En plus de la description de l’O2 exosphérique autour d’Europa, je soulignerai les différences notables avec l’H2O et ses produits. Enfin, j’ai également travaillé à la caractérisation d’une nouvelle technologie pour une source d’ionisation basée sur l’utilisation de nano-tubes de carbone. Cet émetteur d’électron utilisé pour la spectrométrie de masse neutre s’avère nettement plus efficace que les émetteurs classiquement utilisés dans le spatial et devrait donc nous aider à explorer ces exosphères.


  • Résumé

    I present a multidisciplinary analysis on the behavior of asurface-bounded exosphere synchronously rotating about its primary. Anexosphere is the boundless, external envelope of gas extending from aplanetary surface or atmosphere. This collisionless gas represents theinterface between planets and stars, as it directly interacts with theinterplanetary medium. Should the exosphere possess a population ofvolatiles strongly coupled with the surface temperature, the exospherewill be capable of experiencing a diurnal cycle over an orbitalperiod. I provide the first evidence of the existence of such adiurnal cycle in the molecular oxygen exospheres of two of Jupiter’sicy moons: Europa and Ganymede. The evidence was surmounted by anin-depth comparison between the near-surface ultraviolet oxygenaurorae observations by the Hubble Space Telescope and 3-D Monte Carlosimulations of Europa’s near-surface O2 exosphere, where both auroraeand exospheres where found to be strongly peaking at dusk. Thedusk-over-dawn asymmetry analysis also provides evidence that Europamay harbor a large O2 reservoir embedded in its ice today. Inaddition to O2 , I present the first orbital simulations of all knownwater-products at Europa, and provide perspectives on discerning theeffects of cryovolcanism on the exosphere. Lastly, at LATMOS, Icharacterized a novel ionization source: a carbon nanotube electrongun (CNTeg). This in-situ device used for neutral mass spectrometry,may prove to be a very efficient electron emitter (P < 10 milliWatts)and should aid future searches to detect trace gases in any exosphere.


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