Analyse de matière extraterrestre primitive par imagerie hyperspectrale infrarouge et spectrométrie de masse TOF-SIMS

Primitive extraterrestrial matter analysis by infrared hyperspectral imaging and Time-of-Flight Secondary Ion Mass Spectrometry

• Auteur / Autrice : Yann Arribard
• Direction : Rosario Brunetto, Donia Baklouti
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Astronomie et Astrophysique
• Date : Soutenance le 28/06/2023
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : Astronomie et Astrophysique d'Ile de France
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut d'astrophysique spatiale (Orsay, Essonne ; 1990-....)
• Partenaire(s) de recherche : référent : Faculté des sciences d'Orsay
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Physique (2020-....)
• Jury : Président / Présidente : Cécile Engrand
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Guy Libourel, Ghylaine Quitté, Christelle Briois, Éric Quirico
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Guy Libourel, Ghylaine Quitté

Mots clés

Mots clés contrôlés

Imagerie hyperspectrale

Nanoparticules d'or

Matière organique

Spectrométrie de masse des ions secondaires

Cosmochimie

Chondrites (météorites)

Mots clés libres

Analyses de matériaux extraterrestres

Astrochimie

Imagerie ionique par spectrométrie de masse

Matière organique prébiotique

Faisceaux de nanoparticules

Astrochemistry

Nanoparticle beams

Prebiotic organic matter

Extraterrestrial material analyses

Ionic imaging by mass spectrometry

Résumé

La matière extraterrestre dite primitive se caractérise par sa faible évolution chimique depuis sa formation. Elle se retrouve notamment comme un des constituants des fragments de petits corps du système Solaire, tels que les astéroïdes. L'étude d'échantillons en provenance de ces corps peut ainsi permettre de mieux comprendre son origine et son évolution.Dans cette thèse, mon travail s'est orienté autour de l'analyse de la matière primitive et plus particulièrement sur l'étude des chondrites carbonées ayant subi de l'altération aqueuse. La première partie de ma thèse s'oriente sur l'analyse des phases minérales et organiques au sein de chondrites CM de type pétrologique 2 grâce à des techniques de spectroscopie infrarouge et Raman ainsi que de la spectrométrie de masse à ionisation secondaire par temps de vol (TOF-SIMS). Ces techniques bénéficient d'une bonne complémentarité dans la caractérisation des différentes phases qui nous intéressent. Elles sont également couplées à l'imagerie, ce qui permet d'étudier le lien qu'il peut exister entre les différentes phases minérales et organiques. J'ai utilisé un nouveau processus non supervisé d'analyse des données hyperspectrales infrarouge, ce qui a permis de déterminer des paramètres spectraux caractérisant l'état d'avancement de l'altération aqueuse des échantillons, notamment de leur phase minérale, tout en les reliant à leur évolution chimique. La spectroscopie Raman a permis de mettre en évidence des différences de structure de la matière organique poly-aromatique au sein des différents échantillons. Enfin, le TOF-SIMS a également mis en évidence une différence de structure de la matière organique tout en confirmant et précisant les différences de co-localisation entre matière organique et phase minérale observées par l'imagerie hyperspectrale entre les échantillons.La seconde partie de ma thèse s'est orientée sur l'étude d'efficacité d'un nouvel accélérateur linéaire - Andromede (IJCLab) - comme source primaire pour le TOF-SIMS sur des analogues à la matière primitive des chondrites. J'ai produit ces analogues organiques en laboratoire afin de simuler la matière organique insoluble, la part majoritaire de la matière organique des chondrites. J'ai contrôlé les caractéristiques de ces analogues par des spectroscopies infrarouges, à rayon X et par TOF-SIMS. Ils demeurent différents de la matière organique des CM en termes de structure poly-aromatique, mais similaires en termes de composition élémentaire et caractère insoluble. J'ai produit des analogues minéraux à partir de roches terrestres similaires aux minéraux rencontrés dans les CM. Les mesures que j'ai réalisées sur ces analogues et sur des chondrites montrent à la fois le potentiel et les limites actuelles du TOF-SIMS couplé à Andromède, et suggèrent des pistes d'amélioration en vue d'en augmenter, notamment, la résolution en masse.

So-called primitive extraterrestrial matter is characterized by its low chemical evolution since its formation. It is found in particular as one of the constituents of the fragments of small bodies of the Solar system, such as asteroids. The study of samples from these bodies can thus make it possible to better understand its origin and its evolution.In this thesis, my work focused on the analysis of primitive matter and more particularly on the study of carbonaceous chondrites having undergone aqueous alteration. The first part of my thesis focuses on the analysis of mineral and organic phases within petrological type 2 CM chondrites using infrared and Raman spectroscopy techniques as well as time-of-flight secondary ionization mass spectrometry. (TOF-SIMS). These techniques benefit from a good complementarity in the characterization of the different phases that interest us. They are also coupled with imagery, which makes it possible to study the link that may exist between the different mineral and organic phases. I used a new unsupervised process for analyzing infrared hyperspectral data, which made it possible to determine spectral parameters characterizing the state of progress of the aqueous alteration of the samples, in particular of their mineral phase, while relating to their chemical evolution. Raman spectroscopy made it possible to highlight differences in the structure of the polyaromatic organic matter within the different samples. Finally, the TOF-SIMS also highlighted a difference in the structure of the organic matter while confirming and clarifying the differences in co-localization between organic matter and mineral phase observed by hyperspectral imaging between the samples.The second part of my thesis focused on the study of the effectiveness of a new linear accelerator - Andromeda (IJCLab) - as a primary source for TOF-SIMS on analogues of primitive chondrite matter. I produced these organic analogues in the laboratory to simulate insoluble organic matter, the majority of organic matter in chondrites. I checked the characteristics of these analogues by infrared spectroscopy, X-ray spectroscopy and TOF-SIMS. They remain different from CM organic matter in terms of poly-aromatic structure, but similar in terms of elemental composition and insoluble character. I have produced mineral analogues from earth rocks similar to minerals found in CM chondrite. The measurements that I carried out on these analogues and on chondrites show both the potential and the current limits of TOF-SIMS coupled to Andromede, and suggest areas for improvement with a view to increasing, in particular, the masse resolution.