Propriétés spectro-photométriques de la surface de Phobos et Déimos : préparation pour la mission Martian Moons eXploration

Spectro-photometric properties of Phobos and Deimos surfaces : preparation for the Martian Moons eXploration mission

• Auteur / Autrice : Antonin Wargnier
• Direction : Alain Doressoundiram, Thomas Gautier
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Astronomie et astrophysique
• Date : Soutenance le 24/06/2025
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Astronomie et astrophysique d'Île-de-France (Paris ; 1992-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d’instrumentation et de recherche en astrophysique (Meudon ; 2025-....)
• Jury : Président / Présidente : François Forget
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Eri Tatsumi, Abigail Fraeman, Cécile Engrand
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Pierre Vernazza, Olivier Groussin
• DOI : 10.70675/d45b5f34z5b09z4816z81edzac4b4c2a726e

Mots clés

Mots clés contrôlés

Phobos (satellite)

Spectroscopie astronomique

Photométrie astronomique

Planètes -- Origines

Méthodes de simulation

Mots clés libres

Phobos

Spectroscopie

Photométrie

Mesures en laboratoire

Petits corps

Système solaire

Phobos

Spectroscopy

Photometry

Lab experiments

Small bodies

Solar system

Résumé

Phobos et Deimos, les deux satellites de Mars, ont été observés de nombreuses fois depuis les années 1970. Cependant, l'origine des deux lunes est toujours inconnue, deux hypothèses étant principalement discutées. La première est l'hypothèse d'un impact géant, selon laquelle un impacteur serait entré en collision avec Mars au début de son histoire, créant un disque de débris, qui se serait ensuite accrété pour former Phobos et Deimos. La seconde théorie est la capture gravitationnelle d'un ou plusieurs astéroïdes. Ces astéroïdes proviendraient de la ceinture principale extérieure ou des Troyens de Jupiter. Cette question de l'origine des lunes devrait être résolue par la mission Martian Moon eXploration (MMX) de l'agence spatiale japonaise dont le lancement est prévu en 2026. En particulier, parmi les instruments de MMX, le spectromètre infrarouge MIRS permettra de caractériser la composition de la surface des lunes martiennes, et le retour d'échantillons de Phobos en 2031 devrait permettre de conclure définitivement sur les origines. Ce travail s'inscrit dans le contexte de la mission MMX et notamment dans la préparation des observations futures de MIRS. Il vise plus précisément à mieux contraindre la surface des lunes martiennes en termes de composition et de texture de surface. Cette thèse est divisée en deux parties principales : premièrement, j'ai effectué une analyse photométrique et spectroscopique de la surface de Phobos et Déimos en utilisant les données des observations de télescopes au sol, mais aussi en utilisant les observations de la caméra HRSC à bord de Mars Express. Ensuite, j'ai réalisé des expériences de laboratoire et des simulations des observations MMX/MIRS afin de préparer l'interprétation des données et de fournir des contraintes supplémentaires sur les propriétés de la surface. Notre analyse des données du HRSC et des données des observations au sol renforce l'hypothèse d'une origine commune pour Phobos et Deimos. Nous avons également trouvé que l'unité bleue sur Phobos est jusqu'à 50% plus brillante que la surface moyenne, en particulier les rainures sur le bord nord-est du cratère Stickney, qui apparaissent comme les caractéristiques géologiques les plus brillantes sur Phobos. Nous avons révélé la présence d'une unité bleue sur Deimos de manière similaire à Phobos, caractérisée par un spectre visible et proche infrarouge plus brillant (30%) et légèrement moins rouge. Les expériences en laboratoire ont montré que ces variations spectroscopiques associées à l'unité bleue pourraient être dues à la présence d'une couche poreuse de régolithe et pas seulement à des matériaux plus frais et non altérés comme généralement supposé. L'étude précise des unités bleues et rouges sur Phobos et Deimos pourrait aussi révéler l'origine des lunes martiennes. Mes résultats suggèrent que les matériaux similaires à ceux attendues sur les astéroïdes de type D présentent un effet de bleuissement suite à l'irradiation par les ions, alors que les matériaux basaltiques martiens sont susceptibles de rougir. La présence de différences significatives de marqueurs d'altération spatiale entre ces deux unités pourrait fournir une preuve claire de la distinction entre les unités rouges et bleues. Dans ce cas, l'origine des lunes martiennes serait liée à des matériaux martiens, résultant très probablement d'un impact géant. A l'inverse, la présence de certains composés, par exemple de la matière organique ou de glace d'eau indiquerait clairement une origine liée à la capture d'un astéroïde primitif, et hypothétiquement provenant d'un objet unique de type Z venant de la ceinture principale intérieure qui aurait été disloqué pendant la capture, formant ainsi Phobos et Déimos.

The two Martian moons, Phobos and Deimos, have benefited of a lot of observations since the 1970s. However, despite this development, the origins of the two moons remain uncertain, with two main hypotheses being discussed. The first one is the giant impact hypothesis, which suggests that an impactor collided with Mars in its early history, creating a debris disk that subsequently accreted into Phobos and Deimos. The second theory is based on the capture of one or two asteroids from the outer Main Belt or the Jupiter Trojans swarm, as revealed by their spectroscopic properties. The question of the origin of Phobos and Deimos will be resolved by the Martian Moon eXploration (MMX) mission of the Japanese space agency, which is scheduled to be launched in 2026 and is equipped with a suite of remote-sensing instruments. Notably, the MIRS infrared spectrometer will allow the detection of minerals and organic compounds on the surface of the Martian moons, and MMX will return samples from Phobos to Earth in 2031 which will likely provide definitive conclusions. This work is carried out as part of the MMX mission, and in particular in preparation for future MIRS observations. More specifically, the objective is to provide more detailed constraints on the surface composition and texture of the Martian moons. This thesis is divided into two main parts. Firstly, a photometric and spectroscopic analysis of the surface of the Martian moons was conducted using available data from ground-based observations, as well as remote-sensing observations of the HRSC camera onboard Mars Express. Secondly, laboratory experiments and simulations of MMX/MIRS observations were performed to prepare the interpretation of the data and to provide additional constraints on the surface properties. My analysis of the HRSC and ground-based data reinforced the hypothesis that Phobos and Deimos have a common origin. Additionally, we found that the blue unit on Phobos is up to 50% brighter than the average surface, with the grooves at the northeastern rim of the Stickney crater being the brightest features on Phobos. A similar analysis of Deimos revealed the presence of a blue unit, characterised by a brighter (30%) and slightly less red visible and near-infrared spectrum. The laboratory experiments demonstrated that the spectroscopic variations associated with the blue unit may be attributable to a porous regolith layer, rather than only to fresher, non-altered materials, as is generally hypothesized. A detailed analysis of the blue and red units present on both Phobos and Deimos has the potential to reveal the origin of the Martian moons. My results suggest that D-type-like materials exhibit a blueing effect following ion irradiation, while basaltic Martian materials are likely to redden. The presence of significant differences of alteration markers by space-weathering between these two units could provide clear evidence for the distinction between the red and blue units. In this case, the origin of the Martian moons would be linked with Martian materials, most likely resulting from a giant impact. In this case, the origin of the Martian moons would be associated with Martian material, most likely from a giant impact. Conversely, the presence of certain compounds, such as organic matter or water ice, would clearly indicate an origin linked to the capture of a primitive asteroid, hypothetically from a single Z-type object coming from the inner main belt that was disrupted during capture, forming Phobos and Deimos.