Caractérisation et comparaison de la composition d'échantillons des astéroïdes primitifs Ryugu et Bennu par microscopie hyperspectrale proche-IR

Characterization and comparison of the composition of samples from primitive asteroids Ryugu and Bennu by NIR hyperspectral microscopy

• Auteur / Autrice : Laura Nardelli
• Direction : Cédric Pilorget, Rosario Brunetto
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Astronomie et Astrophysique
• Date : Inscription en doctorat le 01/10/2023
• 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 : Institut d'Astrophysique Spatiale
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Système solaire et systèmes planétaires
• Partenaire(s) de recherche : Référent : Faculté des sciences d'Orsay

Mots clés

Mots clés libres

Astéroïdes

Système Solaire

Ryugu

Bennu

Spectroscopie

Ryugu

Bennu

Solar System

Spectroscopy

Asteroids

Résumé

Au cours des dernières années, deux missions pionnières ont réalisé la caractérisation à distance d'astéroïdes carbonés et la collecte d'échantillons à leur surface, avec la perspective de disposer pour la première fois dans les laboratoires de matériau primitif n'ayant jamais vu l'environnement terrestre. Ainsi, la mission Hayabusa2 de la JAXA a procédé à la première collecte d'échantillons sur un astéroïde de type C (Ryugu), rapportés sur Terre avec succès début décembre 2020. La mission OSIRIS-REx de la NASA a suivi avec Bennu, un astéroïde carboné de type B avec des caractéristiques spectrales différentes de celles de Ryugu, suggérant ainsi des processus de formation et/ou d'évolution différents. Les échantillons de Bennu devraient arriver fin 2023 sur Terre. Les échantillons de Ryugu (~5.4 g) sont stockés dans la « Curation Facility » de l'ISAS, à Sagamihara (Japon), en atmosphère contrôlée, où des premières analyses sont effectuées sur l'ensemble de la collection. De manière inédite, celles-ci incluent la caractérisation par micro-imagerie hyperspectrale infrarouge, grâce à l'instrument MicrOmega, développé à l'IAS, et intégré à cette installation. Au moment de leur caractérisation par MicrOmega, les échantillons n'ont ainsi jamais vu l'environnement terrestre. De manière parfaitement non destructive, MicrOmega réalise des images de 250 × 256 pixels de 22.5 µm, et acquiert de chaque pixel le spectre dans le domaine de 0.99 à 3.65 µm choisi pour contenir les signatures diagnostiques de nombreux constituants minéraux et moléculaires. MicrOmega a ainsi mis en évidence, dans ces échantillons de très faible albedo (< 3 %), la présence générale de composés hydratés et carbonés, ainsi que de phases minoritaires mais très indicatives des processus de formation et d'évolution de Ryugu (e.g. carbonates, organiques, phases riches en azote, etc.) (Pilorget et al. 2022, Loizeau et al. 2023). Ces observations, qui se poursuivent actuellement, incluent la caractérisation de « bulks » (ensemble compact d'un nombre important de grains), ainsi que de grains individuels extraits de ces bulks, typiquement de taille millimétrique. Les échantillons de la missions OSIRIS-REx, plusieurs centaines de grammes d'après les estimations, devraient arriver en Septembre 2023 sur Terre et seront conservés au Johnson Space Center de Houston (USA). Une fraction de ces échantillons (~ quelques grammes) seront également conservés à partir de fin 2023 dans la « Curation Facility » de l'ISAS à Sagamihara au Japon. Ils y seront caractérisés par une suite d'instruments similaire à celle ayant servi à l'analyse des échantillons de Ryugu, et comprenant entre autres l'instrument MicrOmega, ouvrant la voie à une comparaison avec les mêmes techniques et dans les mêmes conditions des échantillons prélevés sur Ryugu et Bennu. Comme pour Ryugu, les résultats contribueront à la production d'un catalogue qui servira de référence pour les demandes de grains qui seront ouvertes dans la suite à toute la communauté scientifique. Le/la doctorant/e aura comme objectif de thèse l'étude de la composition minérale et moléculaire de Bennu et sa comparaison avec celle Ryugu. Les processus d'altération mis en évidence par la présence de certains carbonates dans les échantillons de Ryugu (Loizeau et al. 2023), mais également détectés pour certains dans les mesures à distance réalisés sur Bennu (Kaplan et al. 2020), feront l'objet d'une activité de recherche dédiée. Ces résultats permettront entre autres d'établir une éventuelle généricité ou spécificité des processus identifiés sur l'un ou l'autre des deux objets. Pour atteindre ces objectifs, il/elle participera à la préparation des analyses et aux analyses elles-mêmes des échantillons de Ryugu et de Bennu présents dans la Curation Facility de l'ISAS au sein de l'équipe franco-japonaise de l'instrument MicrOmega (sous la responsabilité de l'IAS, PI : C. Pilorget). Le déroulement de la thèse se basera sur des activités telles que : 1. la préparation des opérations de l'instrument MicrOmega pour les échantillons de Bennu (calibration et cross-calibration avec la chambre Hayabusa2, séquences de tests) ; 2. la participation aux mesures, à distance (comme cela est réalisé de façon routinière actuellement) et sur place à l'ISAS ; 3. la caractérisation à l'aide des mesures de l'instrument MicrOmega présent à l'ISAS de la composition des échantillons de Bennu, en comparaison avec les données obtenues sur les échantillons de Ryugu ; 4. la réalisation de mesures en laboratoire (avec un modèle représentatif de l'instrument MicrOmega présent à l'IAS et avec un imageur FTIR installé sur la ligne SMIS du synchrotron SOLEIL) sur des échantillons analogues (météorites et composés minéralogiques/organiques purs) pour appuyer les interprétations ; 5. la participation à l'élaboration du catalogue regroupant les caractéristiques physiques et compositionnelles d'une sélection de grains (quelques centaines typiquement) qui seront disponibles à la communauté scientifique au travers d'AOs. Calendrier : Octobre 2023 - Décembre 2023 : définition et mise en place des procédures d'analyse pour les échantillons de Bennu, calibration de l'instrument dans la nouvelle chambre (et cross-calibration avec la chambre Hayabusa2). Entraînement sur les échantillons de Ryugu. Janvier 2024 – Décembre 2024 : analyse avec l'instrument MicrOmega des échantillons de Bennu présents à l'ISAS (bulks et premiers grains extraits), traitement des données et rédaction d'un premier article scientifique. Préparation des premières entrées pour le catalogue. Participation à une conférence internationale et à une école de formation. Janvier 2025 – Mars 2026 : poursuite de l'analyse des échantillons de Bennu et comparaison avec les données acquises sur les échantillons de Ryugu. Rédaction d'un second article scientifique. Poursuite de la production du catalogue. Présentation des résultats à une deuxième conférence internationale. Avril 2026 – Septembre 2026 : rédaction du manuscrit de thèse et préparation de la soutenance.

Over the last few years, two pioneering missions have performed the remote characterization of carbonaceous asteroids followed by the collection of samples at their surface, with the objective of having access for the first time in laboratories to primitive material that has never seen the terrestrial environment. The JAXA Hayabusa2 mission performed the first sample collection from a C-type asteroid (Ryugu). The samples were successfully brought back to Earth in December 2020. The NASA Osiris-Rex mission followed with Bennu, a B-type carbonaceous asteroid with different spectral properties compared to Ryugu, suggesting different formation and/or evolution processes. The samples should arrive at the end of 2023 on Earth. The Ryugu samples (~5.4 g) are now stored in the ISAS 'Curation Facility' in Sagamihara (Japan) in a controlled atmosphere, where initial analyzes are performed on the entire collection. These include the characterization by NIR hyperspectral microscopy, thanks to the MicrOmega instrument developed at IAS. At the time of their characterization by MicrOmega, the samples have thus never seen the terrestrial environment. In a perfectly non-destructive way, MicrOmega generates images of 250 × 256 pixels of 22.5 µm of the samples, and acquires from each pixel the reflectance spectrum in the 0.99 to 3.65 µm range, chosen to contain the diagnostic signatures of main mineral and molecular constituents. MicrOmega has thus highlighted, in these very low albedo samples (< 3%), the overall presence of hydrated and carbonaceous compounds, as well as minor phases that are very indicative of the processes of formation and evolution of Ryugu (e.g. carbonates, organics, nitrogen-rich phases, etc.) (Pilorget et al. 2022, Loizeau et al. 2022). These observations (still ongoing) include the characterization of 'bulks' (compact set of a large number of grains), as well as individual grains (typically a few millimeters in size) extracted from these bulks. The samples from the Osiris-Rex mission, several hundred grams according to estimates, should arrive in September 2023 on Earth and will be stored at the Johnson Space Center in Houston (USA). End of 2023, a fraction of these samples (~ a few grams) will also be transferred and stored in the ISAS “Curation Facility” in Sagamihara. They will be characterized by a suite of instruments similar to that used for the analysis of the Ryugu samples, and including MicrOmega, with the objective to compare with the same techniques and under the same conditions the samples from the two objects. As for Ryugu samples, the results will contribute to the production of a catalog, which will be used as a reference database for the AOs open to the scientific community. The objective of the PhD thesis will be to characterize the mineralogical and molecular (organics) composition of the samples from Bennu and to compare with the data obtained on the Ryugu samples. In particular, a dedicated activity will focus on the alteration processes, highlighted by the presence of carbonates in Ryugu samples (Loizeau et al. 2022), and also detected for some of them in the remote measurements performed on Bennu (Kaplan et al. 2020). These results will be key to establish a possible genericity or specificity of the processes identified on one or the other of the two objects. To reach these objectives, the PhD student will take part in the preparation of the analyses and then in the analyzes of the Ryugu and Bennu samples stored at ISAS within the Franco-Japanese team of the MicrOmega instrument (under the responsibility of IAS, PI: C. Pilorget). The thesis project will be based on different activities, such as: 1. the preparation of the MicrOmega operations on the Bennu samples (calibration and cross-calibration with the Hayabusa2 chamber, tests) ; 2. a participation to the MicrOmega measurements, remotely (as is currently done routinely) and on site (at ISAS). 3. the characterization of the composition of the samples from Bennu, in comparison to the data obtained on the Ryugu samples. 4. Laboratory measurments (with a MicrOmega model present at IAS and a FTIR imager installed on the SMIS beamline at the synchrotron SOLEIL) on analog samples (meteorites, pure mineralogical/organic compounds) to support the interpretations ; 5. to participate in the production of the catalog that gathers physical and compositional characteristics of a selection of grains (a few hundred typically) which will be available to the scientific community through AOs. Schedule : Oct. 2023 - Dec 2023: definition and implementation of the analysis procedures for Bennu samples, calibration of the instrument in the new chamber (and cross-calibration with the Hayabusa2 chamber). Training on Ryugu samples. Jan. 2024 – Dec. 2024: first analysis of the Bennu samples (bulks and first extracted grains) with the MicrOmega instrument present at ISAS. Preparation of a first paper on the MicrOmega results. Preparation of the first inputs to the catalog. Participation to an international conference and to a summer school. Jan. 2025 – Mar. 2026: continuation of the analysis of Bennu samples and comparison with the data obtained on the Ryugu samples. Preparation of a second paper. Continuation of the catalog production. Presentation of the results in an international conference. Avril 2026 – Septembre 2026: redaction of the PhD manuscript and preparation of the defense.