Evolution de molécules organiques en conditions martiennes simulées : expériences en laboratoire et en orbite basse terrestre sur la Station Spatiale Internationale

Organic molecule evolution in Mars-like conditions simulated in the laboratory and in space on the International Space Station

• Auteur / Autrice : Laura Rouquette
• Direction : Hervé Cottin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de l'Univers et Environnement
• Date : Soutenance le 19/11/2018
• Etablissement(s) : Paris Est
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences, Ingénierie et Environnement (Champs-sur-Marne, Seine-et-Marne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire interuniversitaire des systèmes atmosphériques (Créteil ; 1997-....) - Laboratoire inter-universitaire des systèmes atmosphèriques / LISA
• Jury : Président / Présidente : Frances Westall
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Hervé Cottin, Fabien Stalport, Maria Antonietta Barucci
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Sylvain Bernard, Grégoire Danger

Mots clés

Mots clés contrôlés

Expériences

Photochimie organique

Exobiologie

Cosmochimie

Mots clés libres

Astrochimie

Exobiologie

Simulations Expérimentales

Mars

Photochimie

Astrochemistry

Astrobiology

Laboratory Experiments

Mars

Photochemistry

Résumé

La recherche et la détection de molécules organique à la surface de Mars est l’un des objectifs des missions martiennes actuelles (MSL, Mars Science Laboratory) et futures (ExoMars 2020). Plusieurs sources de matière organique peuvent être considérées telles que les sources abiotiques (milieu interplanétaire, hydrothermalisme, synthèses atmosphériques…) mais également les sources biotiques telles qu’une potentielle activité biologique martienne passée. A ce titre, le rover Curiosity de la mission MSL a permis la détection de composés organiques d’origine martienne chlorés et soufrés, bien que ces molécules ne soient pas liées à une quelconque activité biologique ou bien ne reflètent pas la diversité moléculaire de sources abiotiques avérées telles que le milieu interplanétaire. L’une des hypothèses pour expliquer cette faible diversité consiste à considérer que l’environnement martien n’est pas favorable à la préservation de la matière organique. Afin de comprendre l’évolution des molécules organiques à la surface de Mars et donc de guider et aider les interprétations des analyses menées in situ, j’ai travaillé sur deux expériences de simulation simulant certains paramètres de la surface de Mars (rayonnement UV, pression, température, composition minérale). La première, MOMIE (Mars Organic Matter Irradiation and Evolution), est une simulation de laboratoire mise en place au LISA (Créteil, France). La seconde est l’expérience PSS (Photochemistry on the Space Station), mise en place sur la plateforme EXPOSE R2 sur la Station Spatiale Internationale (ISS) en orbite basse terrestre, utilisant directement le flux de photons UV du Soleil filtré.J’ai étudié l’évolution de quatre molécules organiques susceptibles d’être présentes sur Mars, pures ou en présence de phases minérales analogues martiennes : la glycine (un acide aminé), l’adénine et l’uracile (deux bases azotées), et le chrysène (un hydrocarbure aromatique polycyclique). La glycine, l’adénine et le chrysène se dégradent en surface directe de Mars avec des rendements quantiques de photodissociation ϕ200-280 compris entre 6,4 ± 1,4 x 10-6 et 2,3 ± 1,0 x 10-3 molécule.photon-1. L’uracile forme des photoproduits plus stables, selon un rendement de production élevé de 1,64 ± 1,43 x 10-1 molécule.photon-1. Quatre dimères d’uracile ont pu être identifiés comme des photoproduits. Pour finir, l’ajout de phases minérales amorphe et riche en fer ou bien de perchlorates accélère la dégradation ou l’évolution des molécules organiques

Organic molecule detection at Mars is one of the main goals of the current and future Mars exploration space missions, Mars Science Laboratory (MSL, NASA) and ExoMars 2020 (ESA). Several organic sources exist : abiotic sources (interplantary medium, hydrothermalism and atmospheric synthesis) but also biotic sources such as potential past biological activity. Curiosity from the MSL mission detected chlorinated and sulfur organic compounds. However these compounds can not be linked to any biological activity and do not represent the meteoritical organic diversity.The main hypothesis to explain the low diversity of detected organic compounds at Mars is that the martian environment degrade organic matter. In order to understand organic molecule evolution at the Martian surface and be able to guide and help interpret in situ analysis, I worked on two experimental simulations mimicking some of the martian environmental conditions (UV radiation, pressure, temperature and mineral composition). MOMIE, for Mars Organic Matter Irradiation at Mars, is a laboratory experiment set up at the LISA laboratory (Créteil, France). PSS, for Photochemistry on the Space Station, has been set up on the International Space Station (ISS) in low Earth orbit, using directly filtered UV photons from the Sun.I studied the evolution of four organic molecules likely to be present at Mars with ou without a mineral phase : glycine (an amino acid), adenine and uracil (two nucleobases), and chrysene (a polycyclic aromatic hydrocarbon). Glycine, adenine and chrysene are degraded at Mars surface with quantum efficiencies of photodecomposition from 6,4 ± 1,4 x 10-6 to 2,3 ± 1,0 x 10-3 molecule.photon-1. Uracil evolve into more stable photoproducts with a production efficiency of 1,64 ± 1,43 x 10-1 molécule.photon-1. Four uracil dimers have been identified as uracil photoproducts. Finally, the studied mineral phases, an amorphous iron-rich phase and perchlorates, accelerate organics evolution or degradation