Irradiation de glace d'eau et implications astrophysiques

Irradiation of water ice and astrophysical implication

• Auteur / Autrice : Jing-Jie Ding
• Direction : Philippe Boduch, Hermann Rothard
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Milieux dense, matériaux et composants
• Date : Soutenance en 2014
• Etablissement(s) : Caen
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale structures, informations, matière et matériaux (Caen ; 1992-2016)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre de recherche sur les ions, les matériaux et la photonique (Caen ; 2008-....)
• Jury : Président / Présidente : Bruno Manil
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Philippe Boduch, Hermann Rothard, Bruno Manil, Éric Quirico, Giovanni Strazzulla, Emmanuel Dartois
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Éric Quirico, Giovanni Strazzulla

Mots clés

Mots clés contrôlés

Irradiation

Ions -- Implantation

Ions lourds

Fourier, Spectroscopie infrarouge à transformée de

Glace

Astrophysique

Résumé

Les glaces sont présentes dans notre système solaire par exemple sur les comètes, les lunes de Jupiter et de Saturne ainsi que sur les objets trans-neptuniens. Dans le milieu interstellaire, ces glaces forment une fine couche à la surface de grains des nuages denses. L’eau (H2O) est la molécule la plus abondante dans ces glaces. Ces glaces sont constamment exposées aux rayons cosmiques, au vent solaire et aux ions piégés dans la magnétosphère des planètes géantes. Les simulations de ce type d’irradiation associées aux observations peuvent nous amener à comprendre la grande variété des processus physicochimiques induits par l’irradiation. Nous avons donc irradié des glaces avec les ions produits par le GANIL afin de simuler les effets des rayons cosmiques pour les ions lourds rapides et les effets du vent solaire pour les ions lents. Les modifications induites sont étudiées par spectroscopie infrarouge dans le domaine 500-5000 cm-1. L’irradiation induite des changements de structure tels que la compaction et l’amorphisation. Plusieurs ions ont été utilisés afin de déterminer la dépendance de ces processus physiques en fonction du pouvoir d’arrêt du projectile. A basse énergie l’implantation d’ions soufre a permis de mesurer le taux de production de l’acide sulfurique H2SO4, molécule observée à la surface d’Europa. La comparaison avec les observations et les mesures de flux des ions soufre à la surface d’Europa amène à penser que le processus d’implantation est primordial pour expliquer la présence de H2SO4 sur cette lune de Jupiter. Finalement, une étude préliminaire sur le rôle de l’interface entre un substrat carboné et une glace de NH3+H2O est présentée.

Ices can exist in our solar system for example on comets, the moons of Jupiter and Saturn, and trans-Neptunian objects. In the cold interstellar medium, they form thin layers on dust grains. Water (H2O) is the most abundant molecules in those ices, which are continuously exposed to the irradiation by cosmic rays, solar wind, and ions trapped in the magnetosphere of the giant planets. Simulation in the laboratory compared to telescopic observations can provide information to understand the large variety of radiation induced physicochemical processes. Therefore, we simulated the effects of swift heavy ion (cosmic ray analogs) and slow ion (solar wind, magnetosphere ions) irradiation of water ice at different beam lines of the GANIL accelerator facility. Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR) was used to analyze the ices. The irradiation induced structural changes of water ice such as amorphization and compaction were studied. The efficiency to amorphize and compact the ice was established as a function of projectile stopping power with several swift heavy ions. Furthermore, by implantation of sulfur ions in water ice, the formation yield of sulfuric acid was measured and found to increase with projectile energy. From comparison to measure sulfur ion fluxes and sulfuric acid concentrations by the Galileo spacecraft, strong evidence was found that H2SO4 on Europa’s surface can be formed by sulfur ion implantation of magnetosphere ions in water ice. Finally, we also performed a first preliminary experiment to study the radiation induced chemistry with a carbonaceous solid substrate covered with a NH3+H2O ice mantle.