Diversité des sources distribuées dans les comètes : les cas du formaldéhyde et de la glycine

par Katia Hadraoui

Thèse de doctorat en Sciences de l'Univers et Environnement

Sous la direction de Hervé Cottin et de Nicolas Biver.

Soutenue le 17-12-2020

à Paris Est , dans le cadre de École doctorale Sciences, Ingénierie et Environnement (Champs-sur-Marne, Seine-et-Marne ; 2015-....) , en partenariat avec Laboratoire interuniversitaire des systèmes atmosphériques (Créteil) (laboratoire) et de Laboratoire interuniversitaire des systèmes atmosphériques (Créteil) (laboratoire) .

Le président du jury était Marie-Claire Gazeau.

Le jury était composé de Hervé Cottin, Nicolas Biver, Didier Despois, Grégoire Danger, Cécile Engrand, Dominique Bockelée-Morvan.

Les rapporteurs étaient Didier Despois, Grégoire Danger.


  • Résumé

    Présentes depuis la formation du Système Solaire, les comètes suscitent un intérêt particulier. Elles ont pu apporter sur la Terre primitive des composés organiques, et ainsi favoriser l’apparition de la vie. Des observations depuis la Terre et des missions spatiales ont permis de mesurer la composition de ces petits corps, et en particulier celle de son atmosphère. Un grand nombre des molécules observées dans l’environnement cométaire provient directement de la sublimation des glaces du noyau, mais la distribution de certaines d’entre elles est plus complexe.Ce travail de thèse entre dans le cadre de l’étude des sources distribuées dans les comètes. Deux molécules ont été étudiées au cours de cette thèse. D’une part, le formaldéhyde qui présente un comportement atypique dans la plupart des comètes dans lesquelles il a été détecté. Le cas de six comètes est discuté : C/2001 Q4 (NEAT), C/2004 Q2 (Machholz), 8P/Tuttle, C/1996 B2 (Hyakutake), C/2012 S1 (ISON) et C/2012 F6 (Lemmon). D’autre part la glycine, pour laquelle un profil de densité en fonction de la distance au noyau a été mesuré dans la comète 67P/Churyumov-Gerasimenko lors de la mission Rosetta. Ce profil de densité présente un comportement particulier.Afin d’interpréter ces observations, j’ai développé un modèle numérique appliqué dans un premier temps à la production de formaldéhyde dans les atmosphères cométaires, puis étendu au cas de la glycine. Deux cas ont été considérés pour l’étude du formaldéhyde : a. celui-ci est formé à partir de sublimation des glaces du noyau, b. celui-ci est produit à partir d’une source distribuée impliquant la dégradation thermique et photochimique du polyoxyméthylène présent sur les particules éjectées du noyau. Concernant la glycine, trois cas ont été pris en compte : a. celle-ci est émise directement et uniquement à partir de la sublimation des glaces du noyau, b. celle-ci est produite à partir de la sublimation de glycine solide présente sur les particules de poussière éjectées du noyau, c. celle-ci serait incluse dans la matrice de glace d’eau présente sur les particules de poussière éjectées du noyau et serait émise en phase gazeuse en même temps que la glace d’eau sublimerait. Ces deux derniers cas s’apparentent à une source distribuée.Une source unique à partir du noyau n’explique pas les profils de densité mesurés de formaldéhyde dans les comètes C/2001 Q4 (NEAT), C/2004 Q2 (Machholz), 8P/Tuttle, C/1996 B2 (Hyakutake), C/2012 S1 (ISON) et C/2012 F6 (Lemmon). Ce cas ne permet pas non plus d’expliquer les observations de glycine faites dans la comète 67P/Churyumov-Gerasimenko. La meilleure hypothèse concernant le formaldéhyde correspond donc, d’une part, à une faible production à partir du noyau, soit entre 0 et 0,2% par rapport à la production de gaz total. Et d’autre part à une majorité de formaldéhyde provenant d’une source distribuée à partir de la dégradation de son polymère, le polyoxyméthylène pour des quantités qui varient, d’une comète à l’autre, entre 0,25 et 2,7 % de polyoxyméthylène en masse dans les particules. En ce qui concerne la glycine, les observations peuvent être ajustées si l’on considère la sublimation de glace d’eau à partir des particules de poussière dans l’atmosphère avec une abondance de glycine d’environ 170 ppb en masse au sein de la glace d’eau

  • Titre traduit

    Distributed sources diversity in comets : the cases of formaldehyde and glycine


  • Résumé

    Formed since the creation of the Solar System, comets are of particular interest. They could have brought organic compounds to the primitive Earth that contributed to the chemical evolution that lead to the origin of life on Earth. Thanks to ground based observations and space missions, it is possible to measure the composition of these small bodies. Although most of the gaseous molecules detected in cometary atmospheres are produced from the sublimation of nucleus ices, but the distribution of some of them is more complex.This thesis work is part of the study of distributed sources in comets. Two molecules were studied. On the one hand, formaldehyde which presents an atypical behavior in most of the comets in which it has been detected. The case of six comets is discussed: C/2001 Q4 (NEAT), C/2004 Q2 (Machholz), 8P/Tuttle, C/1996 B2 (Hyakutake), C/2012 S1 (ISON) and C/2012 F6 (Lemmon). On the other hand, glycine, for which a profile of the density as a function of the distance of the nucleus has been measured in comet 67P/Churyumov-Gerasimenko during the Rosetta mission. This density profile shows a particular behavior.In order to interpret these observations, I have developed a numerical model applied first to the production of formaldehyde in cometary atmospheres, and then extended to the case of glycine. Two cases have been considered for the study of formadehyde: a. it is produced from the sublimation of nucleus ices, b. it is produced from a distributed source involving thermal and photochemical degradation of polyoxymethylene on particles ejected from the nucleus. Concerning glycine, three cases have been considered: a. it is emitted directly and only from the sublimation of nucleus ice, b. it is produced from the sublimation of solid glycine on dust particles ejected from the nucleus, c. glycine is embedded in water ice and emitted from the sublimation of this ice from the particles ejected from the nucleus. These last two cases being distributed sources.A parent source from the nucleus does not explain the density profiles of formaldehyde measured in comets C/2001 Q4 (NEAT), C/2004 Q2 (Machholz), 8P/Tuttle, C/1996 B2 (Hyakutake), C/2012 S1 (ISON) and C/2012 F6 (Lemmon). This case also does not explain the glycine observations in comet 67P/Churyumov-Gerasimenko. Concerning formaldehyde, the best solution proposed corresponds to a low production from the nucleus, i.e. between 0 and 0.2% in relation to the total gas production, and a majority of formaldehyde coming from a distributed source from the degradation of its polymer, polyoxymethylene. The abundance, from one comet to another, varies between 0.25 and 2.7% of polyoxymethylene by mass in particles. Regarding glycine, the observations can be adjusted if the sublimation of water ice from dust particles in the atmosphere is considered with an abundance of glycine of about 170 ppb by mass in water ice


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