Recherche de chimie prébiotique et d'indices de vie sur les mondes océans par analyse in situ de matière organique

Search for prebiotic chemistry and clues of life on the ocean worlds through in situ chemical analyses of organic matter

• Auteur / Autrice : Valentin Moulay
• Direction : Cyril Szopa, Caroline Freissinet
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Astronomie et Astrophysique
• Date : Soutenance le 23/10/2023
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Astronomie et astrophysique d'Île-de-France (Meudon, Hauts-de-Seine ; 1992-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Atmosphères, observations spatiales (Guyancourt, Yvelines ; 2009-....)
• Partenaire(s) de recherche : référent : Université de Versailles-Saint-Quentin-en-Yvelines (1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Physique (2020-....)
• Jury : Président / Présidente : Ronan Modolo
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Gabriel J. R. Tobie, Pauline Poinot, Christelle Briois, Vincent Grossi
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Gabriel J. R. Tobie, Pauline Poinot

Mots clés

Mots clés contrôlés

Méthodes de préparation d'échantillons analytiques

Chromatographie gazeuse-spectrométrie de masse

Chimie analytique

Saturne (planète) -- Satellites

Satellites galiléens

Mots clés libres

Mondes océans

Chromatographie en phase gazeuse couplée à la spectrométrie de masse (CPG-SM)

Analyse chimique in situ

Analogues naturels

Oceans worlds

Gaz chromatography Masss Spectrometry (GC-MS)

In situ chemical analyses

Analog samples

Résumé

La présence d'océans sous la surface de certains des satellites glacés de Jupiter (e.g. Europe) et de Saturne (e.g. Titan, Encelade) couplée à l'existence de geysers permettant l'échantillonnage de leurs profondeurs a fait émerger le fort potentiel exobiologique de ces corps planétaires du système solaire. De telles découvertes ont suscité le développement de futures missions spatiales (Dragonfly pour Titan et concepts de missions pour Europe et Encelade) pour comprendre la chimie de surface de ces mondes-océan, et par extension de rechercher des traces de chimie prébiotique ou de vie passée ou actuelle. La quête de telles signatures nécessite un analyseur chimique à bord des sondes qui seront envoyées dans le système solaire externe. De nombreuses techniques analytiques peuvent être mises en œuvre mais la chromatographie en phase gazeuse couplée à la spectrométrie de masse (CPG-SM) apparaît comme une technique de premier choix pour tenter de répondre à ces questions, de par son héritage dans l'exploration spatiale, sa capacité à analyser une large gamme de composés organiques et son potentiel pour détecter des biosignatures notamment par l'étude de l'énantiomérie des espèces chirales.L'objectif de ce travail de thèse est de préparer la future analyse chimique in situ de ces lunes glacées, d'une part par l'amélioration des connaissances scientifiques et d'autre part par l'optimisation technique des instruments. Il s'agit d'évaluer et d'optimiser les capacités analytiques de la CPG-SM et des méthodes de préparation d'échantillon associées, afin de détecter des molécules organiques et biosignatures avec les contraintes analytiques connues et/ou attendues sur ces corps planétaires (richesse en matière organique des échantillons prélevés pour Titan et présence d'eau de sels pour les échantillons à la surface d'Europe et d'Encelade). Dans le cas d'Europe et Encelade, l'étude d'échantillons hypersalins terrestres a permis de mettre en avant les capacités de la CPG-SM et des méthodes de prétraitements associées pour la recherche de molécules organiques d'intérêt pour l'exobiologie malgré la présence de sels. Pour évaluer l'impact du sel sur ces méthodes, le développement d'un protocole de dessalement a été entrepris et mis en place. Outre l'aspect analytique, mon travail a permis la sélection et la caractérisation des performances des colonnes chromatographiques (générale et chirale) qui seront intégrées à l'instrument DraMS à bord de la sonde Dragonfly (e.g. Dragonfly Mass Spectrometer, DraMS). Pour ces différents aspects, ce travail s'est appuyé sur l'étude d'échantillon analogues synthétiques (tholins pour Titan) mais aussi naturels (lac hypersalin pour Europe et Encelade).

The presence of oceans beneath the surface of some of Jupiter's (e.g. Europa) and Saturn's (e.g. Titan, Enceladus) icy satellites, coupled with the existence of geysers that allow their depths to be sampled, has highlighted the strong exobiological potential of these planetary bodies in the solar system. Such discoveries have motivated the development of future space missions (Dragonfly for Titan and mission concepts for Europa and Enceladus) to understand the surface chemistry of these ocean worlds, and by extension to search for traces of prebiotic chemistry or past or present life. The search for such signatures requires a chemical analyzer on board the probes that will be sent into the outer solar system. Many analytical techniques can be used, but gas chromatography-mass spectrometry (GC-MS) appears to be one of the best techniques for answering these questions, thanks to its heritage in space exploration, its ability to analyze a wide range of organic compounds, and its potential for detecting biosignatures, especially by studying the enantiomery of chiral species.The aim of this thesis is to prepare for future in situ chemical analysis of these icy moons, both by improving our scientific knowledge and by technically optimizing our instruments. The main purpose is to evaluate and optimize the analytical capabilities of GC-MS and associated sample preparation methods, in order to detect organic molecules and biosignatures within the analytical constraints known and/or expected on these planetary bodies (richness in organic matter in samples from Titan, and presence of water and salts in samples from the surface of Europa and Enceladus, etc.). In the case of Europa and Enceladus, the study of hypersaline terrestrial samples has highlighted the ability of GC-MS and associated pretreatment methods to find organic molecules of interest for exobiology, despite the presence of salts. In order to assess the impact of salt on these methods, a desalination protocol was developed and implemented. In addition to the analytical aspect, my work has enabled the selection and characterization of the performance of the chromatographic columns (general and chiral) that will be integrated into the DraMS instrument on board the Dragonfly probe (e.g. Dragonfly Mass Spectrometer, DraMS). For these different aspects, this work was based on the study of synthetic analogous samples (tholins for Titan) as well as natural ones (hypersaline lake for Europa and Enceladus).