Caractérisation de la matière organique contenue dans les particules de la comète 67P/Churyumov-Gerasimenko par spectrométrie de masse avec l’instrument COSIMA de la sonde Rosetta

Characterization of the organic matter in Comet 67P/Churyumov-Gerasimenko’s particles by mass spectrometry with the COSIMA instrument on board the Rosetta spacecraft

• Auteur / Autrice : Anaïs Bardyn
• Direction : Hervé Cottin, Christelle Briois
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de l'Univers et Environnement
• Date : Soutenance le 09/12/2016
• Etablissement(s) : Paris Est
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences, Ingénierie et Environnement (Champs-sur-Marne, Seine-et-Marne ; 2010-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire interuniversitaire des systèmes atmosphériques (Créteil ; 1997-....) - Laboratoire de physique et chimie de l'environnement et de l'espace (Orléans ; 2012-...)
• Jury : Président / Présidente : Pierre Drossart
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Hervé Cottin, Dominique Bockelée-Morvan, Anny-Chantal Levasseur-Regourd, Francis Rocard
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Jean Duprat, Nathalie Carrasco

Mots clés

Mots clés contrôlés

Rosetta (sonde spatiale)

Exobiologie

Cosmochimie

Mots clés libres

Astrochimie

Comète

Exobiologie

Matière organique

Mission Rosetta

Spectrométrie de masse

Astrochemistry

Comet

Astrobiology

Organic matter

Rosetta mission

Mass Spectrometry

Résumé

La sonde spatiale européenne Rosetta, après un voyage de dix années, a rejoint le 6 août 2014 son objet d’étude, la comète 67P/Churyumov-Gerasimenko (67P/C-G). Afin de l’étudier de manière intensive durant deux ans, un total de 21 instruments était embarqué sur l’orbiteur Rosetta et l’atterrisseur Philae. Le spectromètre de masse d’ions secondaires à temps de vol, COSIMA (COmetary Secondary Ions Mass Analyzer), était l’un des instruments de l’orbiteur et a été conçu pour analyser in situ la composition chimique des particules solides éjectées de la comète 67P/C-G. L’objectif de cette thèse est de caractériser la composante organique réfractaire contenue dans les poussières cométaires, à l’aide de l’instrument COSIMA. Dans le cadre de ces travaux, j’ai mis au point au point et appliqué une méthodologie pour analyser les spectres de masse cométaires, plus particulièrement dans le mode positif de l’instrument. A l’aide de cette méthodologie, cinq ions organiques d’origine cométaire ont été détectés et identifiés : C+ (m/z = 12,00), CH+ (m/z = 13,01), CH2+ (m/z = 14,02), CH3+ (m/z = 15,02) et C2H3+ (m/z = 27,02). La caractérisation de cette composante organique a été effectuée à l’aide de spectres de masse de calibration. Les composés de référence utilisés dans ces travaux de thèse incluent des molécules organiques pures et des analogues de la matière organique cométaire, tels que des échantillons naturels (des météorites carbonées, une micrométéorite ultracarbonée, de la matière organique insoluble extraite de météorites carbonées) et un échantillon synthétisé en laboratoire. La matière organique insoluble extraite des chondrites carbonées est, à ce jour, le meilleur analogue à la matière organique réfractaire contenue dans les particules de 67P/C-G. Ainsi, la matière organique cométaire serait de haut poids moléculaire et le carbone lié dans de grandes structures macromoléculaires. Le carbone est également l’un des éléments le plus abondant dans les particules avec un rapport C⁄Si = 5,5 (+1,4/-1,2). La comète 67P/C-G figure ainsi parmi les corps les plus riches en carbone du système solaire. Enfin, un composé spécifique a été recherché, le polyoxyméthylène. Cependant, les indicateurs développés et appliqués aux données cométaires ne permettent pas de conclure quant à sa présence dans les particules analysées par COSIMA

After a ten-year journey, the European spacecraft Rosetta arrived at comet 67P/Churyumov-Gersasimenko (67P/C-G) on August 6, 2014. In order to conduct intensive research for two years, a total of 21 instruments were on board the Rosetta orbiter and the Philae lander. The time-of-flight secondary ions mass spectrometer, COSIMA (COmetary Secondary Ions Mass Analyzer), was one of the orbiter instruments and was designed for in situ analysis of the chemical composition of cometary particles ejected from the comet 67P/C-G. This thesis aims to characterize the refractory organic component of the cometary dust, with the COSIMA instrument. As part of this work, I have developed and applied a methodology to analyze the cometary mass spectra, more specifically in the positive mode of the instrument. Using this methodology, five organic ions of cometary origin were detected and identified: C+ (m/z = 12.00), CH+ (m/z = 13.01), CH2+ (m/z = 14.02), CH3+ (m/z = 15.02) and C2H3+ (m/z = 27.02). The characterization of this organic component has been carried out with calibration mass spectra. The reference compounds used during this thesis include pure organic molecules and cometary organic matter analogs, such as natural samples (carbonaceous chondrites, ultracarbonaceous micrometeorite, insoluble organic matter extracted from carbonaceous chondrites) and one sample synthetized in the laboratory. The best analogue found so far to the refractory component of 67P/C-G particles is the insoluble organic matter extracted from carbonaceous chondrites. The cometary organic matter would be of high-molecular-weight and the carbon bounded in very large macromolecular compounds. Carbon is also one of the most abundant element in the dust particles with an elemental ratio of C⁄Si = 5.5 (+1.4/-1.2). Comet 67P/C-G is among the most carbon-rich bodies of the solar system. Finally, a specific compound was sought, the polyoxymethylene. However, indicators developed and applied to the cometary data do not allow to conclude on the presence of polyoxymethylene in the particles analyzed by COSIMA