Preparation of the in-situ cometary organic matter characterization by mass spectrometry : application to the COSIMA experiment
Préparation à la caractérisation in-situ de la matière organique cométaire par spectrométrie de masse : application à l'instrument COSIMA
Résumé
This thesis has been prepared in the frame of the time of flight secondary ions mass spectrometry experiment called COSIMA on board the ESA's Rosetta cometary mission. This instrument will collect and measure the chemical nature of the grains of the comet 67P/Churyumov-Gerasimenko. The aim of my thesis is to prepare and facilitate the interpretation of mass spectra of COSIMA, especially their refractory organic component. Therefore, the mass spectra of two families of pure compounds (nitrogen heterocycles and carboxylic acids) have been measured with a laboratory instrument tailor-made to have instrumental characteristics similar to those of COSIMA.. We have established that those data can be considered as reference mass spectra to be used by the COSIMA team. This database has been a starting point for the search for markers to distinguish molecules composed of specific atoms. Two markers have been found. Nevertheless they should be handled with caution because of bias that can be induced by the presence of minerals in grains or contaminants on the targets. Cometary organic matter analogs have also been analyzed. These measurements show that the spectra collected with COSIMA can have significant biases. Identification of HCN polymers is compromised. However, the analysis of a grain from the Murchison meteorite shows that the distinction between inorganic and organic compounds is feasible. In addition, the signatures of key compounds such as hexamethylenetetramine or polyoxymethylene (POM) are clearly identifiable in the positive mode of the instrument. Since the POM is thermally unstable, a kinetic study of its thermal degradation has been carried out to constrain the operational strategy to be adopted for its detection. To maximize the chances to detect it in the cometary grains, analyses by COSIMA must be made within fifteen days after the collection of grains.
Cette thèse s'inscrit dans le cadre de l'expérience de spectrométrie de masse d'ions secondaires à temps de vol, COSIMA, se trouvant à bord de la mission européenne cométaire Rosetta. Cet instrument a pour vocation de collecter puis de mesurer la nature chimique des grains de la comète 67P/Churyumov-Gerasimenko. L'objectif de ma thèse est de préparer et de faciliter l'interprétation des spectres de masse de COSIMA, et plus particulièrement de leur composante organique réfractaire. Pour cela, à partir d'un instrument de laboratoire conçu spécialement pour présenter des caractéristiques instrumentales similaires à COSIMA, les spectres de masse de deux familles de composés purs (hétérocycles azotés et acides carboxyliques) ont été mesurés. Ces données ont été qualifiées en tant que spectres de masse de référence utilisables par l'équipe COSIMA. Cette base de données est le point de départ de la recherche de marqueurs permettant la distinction des molécules constituées d'atomes particuliers. Deux marqueurs ont été trouvés. Néanmoins ils sont à manipuler avec prudence compte tenu des biais pouvant être induits par la présence de minéraux au sein des grains ou de contaminants sur les cibles d'analyse. L'analyse d'analogues de la matière organique cométaire a également été effectuée. Il en ressort que les mesures réalisées avec COSIMA peuvent présenter des biais importants. L'identification des polymères de HCN en est d'ailleurs compromise. Toutefois, l'analyse d'un grain de la météorite de Murchison montre que la distinction entre les composantes minérale et organique est facilement réalisable. De plus, les signatures de composés clés comme l'hexaméthylènetétramine ou le polyoxyméthylène (POM) sont clairement identifiables dans le mode positif de l'instrument. Le POM étant thermiquement instable, une étude cinétique de sa dégradation thermique a été réalisée en vue de contraindre la stratégie opérationnelle à adopter pour sa détection. Pour maximiser les chances de le détecter dans les grains cométaires, les analyses par COSIMA doivent être effectuées dans les quinze jours après la collecte des grains.