Composition, origine et évolution de Ryugu à travers les analyses de MicrOmega/Curation

Composition, origin and evolution of Ryugu through the analyses of MicrOmega/Curation

• Auteur / Autrice : Tania Le Pivert-Jolivet
• Direction : Rosario Brunetto, Cédric Pilorget
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Astronomie et Astrophysique
• Date : Soutenance le 19/12/2023
• 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 : Institut d'astrophysique spatiale (Orsay, Essonne ; 1990-....)
• Partenaire(s) de recherche : Référent : Faculté des sciences d'Orsay
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Physique (2020-....)
• Jury : Président / Présidente : Mathieu Roskosz
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Marco Delbo, Frédéric Moynier, Sonia Fornasier, Lydie Bonal
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Marco Delbo, Frédéric Moynier

Mots clés

Mots clés contrôlés

Irradiation

Altération hydrothermale

Évolution

Système solaire

Astéroïdes

Minéraux argileux

Imagerie hyperspectrale

Spectroscopie infrarouge

Mots clés libres

Spectroimagerie IR

Matière minérale

Astéroïde Ryugu

Evolution du système solaire

Matière primitive

Altération

Matière organique

Laboratoire

IR hyperspectral imaging

Minerals

Asteroid Ryugu

Solar system evolution

Primitive matter

Alteration

Organic matter

Laboratory

Résumé

Les astéroïdes primitifs sont des petits corps qui ont relativement peu évolué depuis leur formation. Ils nous renseignent sur la composition chimique du système solaire primitif et son évolution jusqu’à aujourd’hui. Avant les années 2020, les seuls potentiels analogues de ces objets dont nous disposions pour des analyses en laboratoire étaient les chondrites carbonées (CCs). Mais le lien entre les CCs et leurs corps parents astéroïdaux n'est pas encore clair, et la composition primitive des CCs est partiellement altérée par l’interaction avec l’atmosphère terrestre. C’est pourquoi dans les années 2010, deux missions spatiales ont observé et collecté des échantillons de la surface d’astéroïdes primitifs : ils représentent la première analyse en laboratoire de fragments représentatifs de leur corps parents. L’astéroïde géocroiseur de type C, (162173) Ryugu, a été la cible de la mission Hayabusa2 (JAXA). La sonde a réalisé deux collectes, prélevant des échantillons de la surface et de la sous-surface excavée par un impacteur artificiel. En décembre 2020, la capsule scellée contenant 5.4 g d’échantillons est revenue sur Terre et a été ouverte dans la Curation Facility (Sagamihara, Japon), un complexe contenant un ensemble d’enceintes propres pour réaliser une première analyse des grains, sans les exposer à l’atmosphère et en préservant leur intégrité. L’objectif de ma thèse a été de caractériser la composition des grains de Ryugu pour retracer l’évolution de la matière primitive à différentes étapes de l’histoire du système solaire. Pour cela, j’ai analysé les données acquises par MicrOmega, un imageur hyperspectral proche infrarouge (0.99 – 3.65 μm) installé dans la Curation Facility. MicrOmega permet une analyse de la composition minérale et organique des grains de manière non invasive. J’ai étudié la bande d’absorption à 2.7 μm, caractéristique de la vibration du groupe -OH dans les phyllosilicates des grains. J’ai réalisé une étude statistique sur les variations de position et de profondeur de la bande entre plusieurs centaines de grains millimétriques, qui témoignent une variation de composition des phyllosilicates. Cette analyse suggère qu’une partie des grains du site de collecte de surface ont été exposés à l’altération spatiale, un processus affectant la composition et la microstructure de la surface des corps sans atmosphères. À l’inverse, la totalité des grains provenant de la sous-surface ont subi une très faible exposition à l’environnement spatial. Cette étude montre aussi que les échantillons de Ryugu sont très appauvris en eau (H₂O) par rapport aux chondrites CI malgré leur minéralogie proche, et suggère qu’une partie importante de l’eau des CI pourrait être d’origine terrestre. J’ai ensuite étudié les variations de la forme et de la position de la bande à 2.7 μm à la surface des grains. J’ai montré que l'hétérogénéité spectrale de la surface varie d'un grain à l'autre. Cette variation d'hétérogénéité pourrait être liée à des variations du degré d'altération aqueuse et/ou du degré d'altération spatiale sur des surfaces avec différentes rugosités. Cette étude montre le potentiel de l’imagerie hyperspectrale infrarouge pour détecter des variations dans le contenu en eau entre différents grains, sans biais par l’atmosphère terrestre. Ces travaux apportent une meilleure compréhension de l’évolution physique et chimique de la surface et de la sous-surface proche des astéroïdes primitifs. Ils apportent aussi de nouveaux éléments sur l’altération terrestre des chondrites carbonées, avec une implication sur la quantité d’eau dans les corps parents astéroïdaux des chondrites CI.

Primitive asteroids are small bodies that have evolved relatively little since their formation. They contain information about the chemical composition of the early solar system and its evolution up to the present day. Before the 2020s, the only potential analogs of these objects available for laboratory analysis were carbonaceous chondrites (CCs). But the link between CCs and their asteroidal parent bodies is not yet clear, and the primitive composition of CCs is partially altered by interaction with the terrestrial atmosphere. This is why, in the 2010s, two space missions observed and collected samples from the surface of primitive asteroids: they represent the first laboratory study of fragments representing their parent bodies. The C-type near-Earth asteroid (162173) Ryugu, was the target of the Hayabusa2 mission (JAXA). The spacecraft performed two samplings, collecting surface and subsurface samples excavated by an artificial impactor. In December 2020, the sealed capsule containing 5.4g of samples returned to Earth and was opened in the Curation Facility (Sagamihara, Japan), a complex containing a set of clean chambers for carrying out an initial analysis of the grains, preserving their integrity and without exposing them to the terrestrial atmosphere. The aim of my thesis was to characterize the composition of Ryugu samples to retrace the evolution of the primitive matter at different stages in the history of the solar system. Thus, I analysed data acquired by the near-infrared (0.99 – 3.65 μm) hyperspectral microscope MicrOmega, installed in the Curation Facility. MicrOmega enables a non-invasive characterization of the mineral and organic composition of the grains. I studied the 2.7 μm band, characteristic of the vibration of the -OH group in the phyllosilicates of the samples. I carried out a statistical study of the variations in the position and depth of the band between several hundred millimetre-sized grains, which indicate a variation in the composition of the phyllosilicates. This analysis suggests that some of the grains collected at the surface experienced space weathering, a process that affects the composition and microstructure of the surface of airless bodies. Conversely, all the grains from the subsurface have undergone a limited exposure to the space environment. This study also shows that the Ryugu samples are depleted in water (H₂O) compared with CI chondrites, despite their similar mineralogy, and suggests that a significant proportion of the water in the CIs could be of terrestrial origin. I then studied the variations in the shape and position of the 2.7 μm band at the surface of the grains. I showed that the spectral heterogeneity of the surface varies from one grain to another. This variation in heterogeneity could be linked to variations in the degree of aqueous alteration and/or the degree of space weathering on surfaces with different roughnesses. This study shows the potential of infrared hyperspectral imaging to detect variations in the water content between the grains, without any bias by the terrestrial atmosphere. This work provides a better understanding of the physical and chemical evolution of the surface and the near subsurface of primitive asteroids. It also provides new insights on the terrestrial alteration of carbonaceous chondrites, with implications for the quantity of water in the asteroidal parent bodies of CI chondrites.