Spectroscopie infrarouge cométaire : analyse des observations de la comète 9P/Tempel 1 obtenues avec le télescope spatial Spitzer lors de l'évènement Deep Impact

Cometary infrared spectroscopy : analysis of the observations of the comet 9P/Tempel 1 obtained with the Spitzer spacecraft during the Deep Impact event

• Auteur / Autrice : Adeline Gicquel
• Direction : Dominique Bockelée-Morvan
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Astronomie et astrophysique
• Date : Soutenance en 2011
• Etablissement(s) : Observatoire de Paris (1667-....)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Astronomie et astrophysique d'Île-de-France (Meudon, Hauts-de-Seine ; 1992-....)
• Jury : Président / Présidente : Didier Pelat
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Dominique Bockelée-Morvan, Olivier Groussin, Philippe Rousselot, Eric Pantin, Gian Paolo Tozzi
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Olivier Groussin, Philippe Rousselot

Mots clés

Mots clés contrôlés

Spectroscopie infrarouge

Comètes

Résumé

Les comètes sont des petits corps glacés primitifs, témoins de la formation du Système Solaire. Leur composition pourrait être inchangée depuis leur accrétion dans le disque protoplanétaire. Leur étude nous renseigne donc sur les processus physiques et chimiques de la formation planétaire. Lorsque les comètes passent à proximité du Soleil, leur noyau s'entoure d'une atmosphère appelée coma composée de poussières et des produits de sublimation des glaces, ce qui rend leur noyau difficilement observable. La NASA a choisi la comète 9P/Tempel 1 comme cible de la mission Deep Impact. C'est l'unique mission spatiale, à ce jour, à avoir sondé de l'intérieur d'un noyau cométaire en impactant sa surface le 4 juillet 2005. Au cours de cette thèse, je me suis intéressée à l'étude des éjectas associés à cet évènement ce qui m'a permis 1/ d'analyser l'activité de la comète 9P/Tempel 1 ainsi que les propriétés de sa coma avant et après la collision et 2/ de déterminer le rapport poussière/glace dans les couches profondes du noyau. Pour cela j'ai exploité et interpreté, en développant des modèles numériques, les données spectroscopiques dans l'infrarouge fournies par le télescope spatial Spitzer avant et après l'impact. Les spectres de Spitzer, dont les gammes de longueur d'onde s'étendent entre 5. 2--13. 2 µm, permettent d'analyser l'émission de fluorescence de la bande de vibration v₂ de l'eau à 6. 4 µm et l'émission thermique de la poussière. L'évolution temporelle du continuum dû à la poussière a été analysée avec ce modèle thermique en considérant deux lois de distribution en taille et deux types de grains : des grains de carbone amorphe et des grains constitués d'un manteau de carbone amorphe et d'un coeur de silicates amorphes. La température des grains est déduite de l'équilibre radiatif et les coefficients d'absorption sont calculés en utilisant la théorie de Mie. Les paramètres libres des distributions en taille ont été contraints pour les éjectas de poussières et pour la poussière de la coma ambiante ce qui a permis de déduire l'évolution temporelle de la masse des éjectas dans le champ de vue. L'analyse des données montre que l'impact a conduit à la libération d'une grande quantité de petits grains. Elle suggère également que les grains se sont fragmentés lors de leur expansion dans la coma. La masse totale des poussières présentes pour des grains entre 0. 1 et 100 µm, estimée à (0. 5--2. 1) x 10⁶ kg, est en accord avec d'autres valeurs publiées dans la littérature. L'émission thermique des éjectas de poussières à l'intérieur du champ de vue de Spitzer a été interpretée par un modèle dépendant du temps qui simule le développement de nuage et prend en compte la dynamique des gains. La loi de variation de la vitesse des grains en fonction de leur taille a été contrainte par ce modèle. La bande d'émission v₂ de l'eau a été extraite des spectres de Spitzer et le nombre de molécules d'eau à l'intérieur du champ de vue de Spitzer a été déduit en utilisant un modèle de fluorescence. L'étude de la distribution spatiale du nombre de molécules d'eau avant l'impact par un modèle de densité a permis de déterminer le taux de production en eau pour la coma ambiante de la comète 9P/Tempel 1, égal à 4. 7 x 10²⁷ molécules s-1. L'évolution temporelle du nombre de molécules dans le champ de vue, étudiée avec un modèle dépendant du temps simulant l'évolution du nuage de molécules d'eau a permis de déduire la masse de vapeur d'eau injectée par l'impact qui est estimée à (7. 4 +/- 1. 5) x 10⁶ kg. Cette évolution temporelle met en évidence une production prolongée de molécules d'eau après l'impact provenant de la sublimation de grains de glace présents dans les éjectas. Un modèle de sublimation de grains a été développé pour analyser la production soutenue de vapeur d'eau après l'impact. Deux approches, correspondant à un milieu dense et raréfié, ont été utilisées pour modéliser l'expansion des molécules d'eau provenant de la sublimation de grains glacés (glace pure ou comprenant des impuretés) dans le flux de gaz ambiant. L'analyse des données met en évidence la présence de grains de glace pure dans des éjectas. La masse de glace de ce modèle pour des grains de rayons entre 0. 1 et 1 µm est estimée a Mglace > 4. 7 x 10⁶ kg. Cette étude sur l'eau et la poussière dans les éjectas conduit à un rapport poussière/glace < 0. 03. Ce résultat, mis en comparaison avec le rapport poussière/gaz ~ 1 normalement mesuré dans les atmosphères cométaires, suggère la présence d'une quantité importante de glace sous la surface du noyau de comète 9P/Tempel 1.

Comets contain the most primitive icy material from the epoch of Solar System formation. Their composition may potentially be unchanged since their accretion in the protoplanetary disk. Studying them informs us about the physical and chemical processes of planet formation. When comets approach the Sun, the nucleus surrounds itself with an atmosphere called coma consisting of dust and products of ice sublimations. NASA selected the comet 9P/Tempel 1 as the target for the Deep Impact event. It is the only spatial mission, to this day, to have examined material from the interior of a cometary nucleus resulting from a planned collision that occurred on the 4th of July 2005. During this thesis, I study the ejecta created by this event which allowed me to 1. Analyze the activity of comet 9P/Tempel 1 and the properties of its coma before and after the impact and 2. Determine the dust-to-ice ratio in the deep layers of the nucleus. To perform this research, I developed numerical models to interpret infrared spectroscopic data from the Spitzer Space Telescope before and after the impact. The Spitzer spectra, between 5. 2--13. 2 µm enable us to study the fluorescence emission of the v₂ vibrational band of water at 6. 4 µm and the thermal emission of the dust. The temporal evolution of the continuum was analyzed using a dust thermal model which considers two size distributions and two grain compositions : amorphous carbon and intimate silicate- carbon mistures. The temperature of grains was derived from the radiative equilibrium and the absorption coefficients was calculated by using Mie theory. The free parameters of the size distribution were constrained for the dust ejecta and for the ambient coma dust which allow us to deduce the mass of the ejecta in the field of view. The study of these data suggests that a significant number of small grains were released during the impact and that grains split up during their expansion in the coma. The total mass of the injecta range from (0. 5--2. 1) x 10⁶ kg for sizes 0. 1--100µm, which is in good agreement with other values published in the literature. The temporal evolution of the dust ejecta emission within the Spitzer field of view was interpreted by a time-dependent model which simulates the development of the dust cloud and takes into account the dynamics of the grains. The velocity law for each grain size was constrained by the model. The water emission was extracted from the Spitzer spectra and the water columns within the Spitzer extraction aperture were inferred using a fluorescence excitation model. The pre-impact spatial distribution of water molecules allowed to determine the water production rate for the ambient coma of the comet 9P/Tempel 1, equal to 4. 7 x 10²⁷ molecules s-1. The temporal evolution of the number of water molecules within the FOV, investigated utilizing a time-dependent water model, allowed to deduce the mass of water injected by the impact equal to (7. 4 +/- 1. 5) x 10⁶ kg. This temporal evolution brings to light that sustained production of water molecules occured after impact from sublimating icy grains. A model of sublimation of icy outflowing grains was developed to analyze the sustained production of water molecules after the impact. Two approaches, corresponding to a dense and rarefied medium, were used to account for the dynamics of water molecules escaping from grains (pure ice on including impurities) in the ambient flow. This analysis of data brings to light the presence of pure ice grain in the injecta. The mass of ice deducted by the model for pure ice grains for size 0. 1--1 µm is estimated to Mice > 4. 7 x 10⁶ kg. This study about water and dust in the injecta leads to a dust-to-ice ratio < 0. 03. This result, compared to the dust-to-ice ratio ~ 1 normally measured in the cometary atmspheres, suggests the presence of a large amount of ice under the surface of th enucleus for the comet 9P/Tempel 1.