Propriétés optiques d'analogues des surfaces des petits corps primitifs du système solaire

Optical properties of pristine Small Body surface analogues

• Auteur / Autrice : Robin Sultana
• Direction : Pierre Beck
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de la Terre et de l'Univers et de l'Environnement
• Date : Soutenance le 07/10/2021
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la terre, de l’environnement et des planètes (Grenoble ; 199.-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de planétologie et d'astrophysique de Grenoble
• Jury : Président / Présidente : François Ménard
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Patrick Pinet
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Sonia Fornasier, Antoine Pommerol

Mots clés

Mots clés contrôlés

Transfert radiatif

Spectroscopie infrarouge

Poussière

Grains interstellaires

Mots clés libres

Petits Corps du Système Solaire

Grains hyperfins

Surfaces hyperporeuses

Spectroscopie infrarouge

Poussière

Transfert radiatif

Solar System Small Bodies

Hyperfine grains

Hyperporous surfaces

IR spectroscopy

Dust

Radiative transfer

Résumé

Le Système Solaire héberge une population d’objets appelés Petits Corps.Ceux-ci résultent du processus de formation planétaire au sein du disque protoplanétaire, mais contrairement aux planètes, ils n’ont pas connu d’épisode de différenciation qreforgeant totalement leur organisation et changeant leurs compositions chimiques et minéralogiques.Ils sont donc supposés être des vestiges des premiers objets formés dans le disque protoplanétaire, et doivent contenir des indices quant à la composition originelle ainsi qu’aux conditions de température du disque protoplanétaire, à l’endroit où ils se sont formés.Connaître ces conditions initiales dans le disque permettrait de mieux comprendre l’évolution des planètes, et des matériaux de base présents dans le disque ayant servi à la chimie pré-biotique.L’étude spectroscopique de la lumière qui nous parvient des Petits Corps que l’on suppose les plus primitifs montre que ceux-ci présentent des spectres relativement plats avec peu de signatures spectrales, et une faible pente rouge.Les récentes missions d’exploration in-situ des plus primitifs de ces astres montrent que leur surface est constituée d’une couche poreuse de poussière dont les grains affichent des tailles inférieures au micromètre, soit inférieures à la taille de la longueur d’onde à laquelle on les observe.Ces propriétés de surface doivent avoir une forte incidence sur la façon dont ces objets réfléchissent la lumière, et donc sur leurs propriétés spectrales.Les travaux effectués pendant les trois années de cette thèse visent à mieux comprendre l’interaction de la lumière avec des grains hyperfins (plus petits que la longueur d’onde), et comment elle se propage dans de telles surfaces.Dans cette perspective il a été nécessaire de mettre au point un protocole de broyage de matériaux permettant de produire des poudres dont la taille de grains est comparable à ce que l’on retrouve sur les surfaces des Petits Corps, ainsi que de synthétiser des échantillons analogues de ces surfaces en termes de structure et de texture (échantillons hyperporeux).Sur ces échantillons, il a été question d’étudier l’influence de ces différents paramètres (taille de grains et porosité) sur les caractéristiques spectrales (pente et profondeur de bande d’absorption) dans le visible et le proche infrarouge (Vis-NIR).Les mesures ont montré que les bandes d’absorption tendent à disparaître et les pentes spectrales à varier lorsque la taille des grains diminue, induisant une uniformisation des spectres.Une partie de cette thèse a en outre été dédiée à l’exploration des caractéristiques spectrales de mélanges de grains hyperfins de deux matériaux de propriétés optiques différentes (matériaux peu absorbants et matériaux très absorbants).Nous avons mis en évidence que lorsque des grains de matériaux d’indices optiques différents sont intimement mélangés, ils se retrouvent optiquement isolés et interagissent avec la lumière de manière individuelle selon le régime de la diffusion Rayleigh, donnant aux spectres en réflectance une pente bleue caractéristique dans le Vis-NIR.Enfin, un dernier aspect abordé dans cette thèse consiste en l’explication de l’observation, sur des noyaux cométaires et des surfaces d’astéroïdes troyens de Jupiter, de spectres en émissivité présentant des signatures de silicates vers 10 µm.Nos travaux indiquent que cette signature des silicates est révélatrice de la présence de grains hyperfins de silicates dispersés dans une matrice de matériaux plus brillants dans le moyen infrarouge.

The Solar System hosts a category of objects called the Small Bodies, that were formed directly in the protoplanetary disk.In contrast to the planets, these Small Bodies didn’t undergo planetary differentiation that rewrites their structure and changes their chemical and mineralogical composition.Therefore, they are supposed to be relics of the first objects formed directly inside the protoplanetary disk, and they might keep clues about the composition and the conditions inside the disk, where they were formed.Knowing these initial conditions of the protoplanetary disk helps understand planetary evolution, and the former base materials in the disk that led to the emergence of life on Earth.Spectroscopy studies of these most pristine Small Bodies exhibit that they display relatively flat and featureless spectra in the visible and near infrared (Vis-NIR), with a reddish spectral slope.Recent exploration missions in the vicinity of the most pristine of these bodies have showed that their surfaces are in fact extremely porous and composed of sub-micrometric grains, with sizes smaller than the wavelength of the light at which we study them.These characteristics have a strong influence on how the light is reflected on these surfaces, and hence on their spectral properties.Therefore, this work aims to better understand the interaction of light with these hyperfine grains and how it propagates inside such surfaces.That is the reason why we have developed a grinding protocol to produce powders of sub-micrometric grains and we have synthetized hyperporous samples similar to Small Bodies surfaces in terms of grain size, texture and structure.We studied the influence of grain size and porosity on spectral properties (band depth and spectral slope) in the Vis-NIR, using these samples.Measurements showed that the absorption bands tend to be shallower and that the spectral slopes also tend to change when the grain size inside the sample is decreasing.In a second part, this work was dedicated to explore the spectral characteristics of mixtures of hyperfine powders of materials with different optical indexes.We showed that when the hyperfine grains of different material are mixed together, grains are optically isolated and they interact with light individually according to the Rayleigh regime, giving a strong blue slope in the Vis-NIR reflectance spectra.A last part of this study consists in explaining the observation in the mid infrared of the 10 µm signature of silicates in cometary nucleus and on Jupiter trojans asteroids.Our work indicates that this signature is revealing the presence of hyperfine grains of silicates, well dispersed into a matrix of brighter materials.