Caractérisation de la composition de la matière réfractaire des particules de poussières de la comète 67P/Churyumov-Gerasimenko

Characterization of the refractory material composition of comet 67P/Churyumov-Gerasimenko dust particles

• Auteur / Autrice : Inès Sansberro
• Direction : Nicolas Fray, Hervé Cottin
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Sciences de l'Univers et Environnement
• Date : Inscription en doctorat le ; Soutenance le 13/12/2023
• Etablissement(s) : Paris 12
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences, Ingénierie et Environnement (Champs-sur-Marne, Seine-et-Marne ; 2010-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LISA - Laboratoire Interuniversitaire des Systèmes Atmosphériques
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Groupe Physico-Chimie Orgagnique Spatiale - GPCOS
• Jury : Président / Présidente : Dominique Bockelee-morvan
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Nicolas Fray, Alicja Domaracka, Hervé Cottin, Véronique Vuitton, Karine Demyk, Laurent Remusat
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Alicja Domaracka, Laurent Remusat

Mots clés

Mots clés libres

Comète

Spectrométrie de Masse COSIMA

Matière réfractaire

Astrochimie

Composition élémentaire

Rims

Astrochemistry

Mass Spectrometry COSIMA

Comets

Refractory matter

Elemental composition

Rims

Résumé

La sonde Rosetta a étudié la comète 67P/Churyumov-Gerasimenko de 2014 à 2016. Parmi les 21 instruments embarqués, le spectromètre de masse d’ions secondaires à temps de vol COSIMA (COmetary Secondary Ions Mass Analyzer), a collecté, photographié et analysé in situ près de 35 000 particules de poussières, ou fragments de particules, éjectés du noyau de la comète. Grâce à COSIMA, la composition élémentaire de la matière réfractaire des particules cométaires a pu être caractérisée. Durant la quasi-totalité de la mission, les particules collectées ont été analysées sans traitement de surface préalable. L’ensemble des travaux publiés avant cette thèse portent sur ces analyses, caractéristiques de la surface des particules cométaires. Sur la base d’une trentaine de particules cométaires, il a été montré que ces dernières sont riches en carbone, et présentent une variabilité de composition pour les rapports N/C, C/Si et H/C. En fin de mission, quelques particules cométaires ont été analysées après une étape de pulvérisation. Lors de cette étape, la surface des échantillons est érodée, permettant d’analyser la composition de subsurface. Le premier objectif de cette thèse a été d’estimer la variabilité de composition d’un maximum de particules cométaire en incluant autant d'éléments que possible. Pour ce faire, j’ai élaboré une méthodologie de sélection des spectres systématique et exhaustive, afin d’optimiser le traitement des 35 000 spectres de masses acquis par COSIMA. Au cours de ces travaux, je suis intéressée à l’entièreté des spectres acquis par COSIMA, dont les spectres post-pulvérisation. Ces travaux, qui considèrent 11 éléments différents (H, C, O, Na, Mg, Al, Si, S, K, Ca et Fe), ont mis en évidence la diversité de composition élémentaire des particules cométaires, aussi bien en surface en qu’en subsurface. De plus, ils ont révélé, pour la première fois, une différence significative des compositions élémentaires de surface et de subsurface des particules cométaires. La composition élémentaire de la subsurface des particules cométaires est très similaire à celle des CP-IDPs. La surface des particules cométaires, présente un appauvrissement en éléments lourds (Mg, Fe, Al et Ca) par rapport à Si et par rapport aux chondrites de type CI. Au vu de l’épaisseur érodée, de l’amplitude et de la récurrence de ces appauvrissements, nous suggérons l’existence de rims pré-accrétionnelles, formées par irradiation à la surface des constituants des particules cométaires. Ces rims pourraient tout aussi bien être héritées du milieu interstellaire qu’avoir été formées dans les zones internes du disque protoplanétaire. Le second objectif de cette thèse a été de poursuivre la caractérisation de la matière organique cométaire, ainsi que de contraindre son origine. La signature organique d’échantillons préparés dans des conditions représentatives des zones internes du disque protoplanétaire a montré des similitudes avec la signature organique cométaire de surface. En revanche, la signature de résidu organique produit dans les conditions des nuages moléculaires denses est significativement différente de la signature cométaire de surface. D’autre part, les spectres obtenus après la pulvérisation de la surface des particules cométaires contiennent des ions qui pourrait témoigner, de la présence d’unités aromatiques dans la matière organique des particules de 67P.

The Rosetta probe studied comet 67P/Churyumov-Gerasimenko from 2014 to 2016. Among the 21 instruments on board, the time-of-flight secondary ion mass spectrometer COSIMA (COmetary Secondary Ions Mass Analyzer), collected, imaged, and analyzed in situ nearly 35,000 dust particles, or particle fragments, ejected from the comet's nucleus. Thanks to COSIMA, the elemental composition of the refractory material of cometary particles could be characterized. During almost the entire mission, the collected particles were analyzed without prior surface treatment. All previous published work before this thesis focuses on these analyses, characteristics of the surface of cometary particles. Based on around thirty cometary particles, it has been shown that they are rich in carbon, and present compositional variability for the N/C, C/Si and H/C ratios. At the end of the mission, a few cometary particles were analyzed after a sputtering step. During this step, the surface of the samples is eroded, allowing the subsurface composition to be analyzed. The first objective of this thesis was to estimate the compositional variability of as many cometary particles as possible by including as many elements as possible. To do this, I developed a systematic and exhaustive spectrum selection methodology, in order to optimize the processing of the 35,000 mass spectra acquired by COSIMA. During this work, I am interested in all of the spectra acquired by COSIMA, including the post-sputtering spectra. This work, which considers 11 different elements (H, C, O, Na, Mg, Al, Si, S, K, Ca and Fe), has highlighted the diversity of elementary composition of cometary particles, both on the surface and in than in the subsurface. Furthermore, they revealed, for the first time, a significant difference in the surface and subsurface elemental compositions of cometary particles. The subsurface elemental composition of cometary particles is very similar to that of CP-IDPs. The surface of cometary particles presents a depletion of heavy elements (Mg, Fe, Al and Ca) compared to Si and compared to CI type chondrites. In view of the eroded thickness, the amplitude, and the recurrence of these depletions, we suggest the existence of pre-accretional rims, formed by irradiation on the surface of the constituents of cometary particles. These rims could just as well be inherited from the interstellar medium or have been formed in the internal areas of the protoplanetary disk. The second objective of this thesis was to improve the characterization of cometary organic matter, as well as to constrain its origin. The organic signature of samples prepared under conditions representative of the internal zones of the protoplanetary disk showed similarities with the surface cometary organic signature. In contrast, the organic residue signature produced under dense molecular cloud conditions is significantly different from the surface cometary signature. On the other hand, the spectra obtained after sputtering the surface of the cometary particles contain ions which could testify to the presence of aromatic units in the organic matter of the 67P particles.