Déterminer l'origine des éléments volatils terrestres à l'aide de simulations dynamiques et de mesures isotopiques de gaz rares dans les météorites

Constraining the origin of Earth’s volatiles with dynamical simulations and isotopic measurements of noble gases in meteorites

• Auteur / Autrice : Sarah Joiret
• Direction : Sean Raymond
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Astrophysique, Plasmas, nucléaire
• Date : Soutenance le 20/09/2024
• Etablissement(s) : Bordeaux
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences physiques et de l’ingénieur (Talence, Gironde ; 1995-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'Astrophysique de Bordeaux
• Jury : Président / Présidente : Alessandro Morbidelli
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Aurélie Guilbert-Lepoutre
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Sébastien Charnoz, Rita Parai

Mots clés

Mots clés contrôlés

Atmosphère

Origines

Gaz rares

Météorites

Système solaire

Mots clés libres

Système solaire

Météorite

Terre

Gaz rares

Origine

Éléments volatils

Solar system

Meteorite

Earth

Noble gas

Origin

Volatiles

Résumé

L'origine des volatils, tels que l'eau ou les gaz rares, sur les planètes terrestres est étroitement liée à l'évolution dynamique précoce du système solaire. En particulier, on pense qu'une instabilité dynamique entre les planètes géantes a donné lieu à un bombardement de comètes et d'astéroïdes dans le système solaire interne. Cette instabilité a dû se produire dans les 100 premiers millions d'années du système solaire, potentiellement avant le dernier impact géant sur la Terre. Cependant, cette chronologie semble en conflit avec les signatures isotopiques distinctives du xénon dans le manteau et l'atmosphère de la Terre. Dans cette thèse, j'évalue les effets d'une instabilité précoce sur l'apport d'astéroïdes et de comètes sur les planètes terrestres, en particulier la Terre, et ce que cela implique pour leurs budgets volatils respectifs. J'aborde cette question à l'aide de simulations à N-corps de l'évolution précoce du système solaire, de calculs de probabilités de collision, de simulations d'impacts et de mesures isotopiques de gaz rares. Dans Joiret et al. (2023), la stochasticité du bombardement cométaire est soulignée, car il y avait probablement un grand nombre de très grosses comètes dans le disque externe primordial. Sur base de ces résultats, Joiret et al. (2024) démontre qu'une augmentation tardive du flux cométaire par rapport au flux astéroïdes carbonés est possible, et peut notamment expliquer la dichotomie de la signature du xénon entre le manteau et l'atmosphère de la Terre. Les simulations hydrocode montrent que les comètes implantées dans le système solaire interne suite à l'instabilité ont pu apporter des volatiles de façon efficace à la Terre. Enfin, nos mesures de spectrométrie de masse montrent que les météorites HED, qui proviennent de la croûte de Vesta, ne contiennent aucune signature cométaire. À l'aide de simulations numériques, je montre que cela est probablement lié à la faible attraction gravitationnelle de Vesta qui entraîne une faible efficacité d'accrétion des impacteurs cométaires ayant des vitesses réalistes.

The origin of volatiles, such as water or noble gases, on the terrestrial planets is closely related to the early dynamical evolution of the solar system. In particular, it is believed that a dynamical instability among the giant planets triggered a bombardment of comets and asteroids in the inner solar system. The timing of this instability is constrained to the first 100 million years after gas disk dispersal, possibly before the last giant impact on Earth. Such a timing, however, appears in conflict with the disparate signatures of xenon isotopes in Earth's mantle compared to its atmosphere. In this thesis, I assess the dynamical effects of an Early Instability on the delivery of carbonaceous asteroids and comets to the terrestrial planets, in particular Earth, and address the implications for their volatile budget. I approach this issue with N-body simulations of the solar system's early evolution, calculations of collision probability, impact simulations and isotopic measurements of noble gases. In Joiret et al. (2023), the stochasticity of the cometary bombardment is emphasized, as very large comets should have been numerous in the primordial outer disk of cometesimals. Building from these results, Joiret et al. (2024) demonstrate that an increase in cometary flux relative to carbonaceous asteroids at late times is possible, and may notably offer an explanation for the xenon signature dichotomy between the Earth’s mantle and atmosphere. Hydrocode simulations show that comets implanted in the inner solar system as a result of the instability could have been highly efficient at delivering volatiles to Earth. Finally, our mass spectrometry measurements indicate that HED meteorites, thought to originate from Vesta's crust, do not contain any cometary signature. Using numerical simulations, I show that it is likely related to Vesta's weak gravitational attraction resulting in a low accretion efficiency of cometary impactors having realistic velocities.