Study of planetary surfaces using hyperspectral imagery in the near infrared at the macroscopic scale with the OMEGA instrument and at the microscopic scale with the MicrOmega intrument
Etude des surfaces planétaires par imagerie hyperspectrale dans le proche infrarouge à l'échelle macroscopique avec OMEGA et à l'échelle microscopique avec MicrOmega
Résumé
Space exploration carried out through orbital and in situ missions enables us to highlight the great diversity of objects found in the Solar System. The properties of planetary surfaces and especially their compositions are excellent witnesses of the various endogenous and exogenous physical processes that have shaped these different bodies from their formation to the present day. My thesis is based on the multi-scale spatial exploration of the surfaces of two types of objects, the C-type asteroids and Mars. C-type asteroids are very primitive bodies and are thus recognized as excellent candidates to constraint the early stages of evolution of the Solar System. In particular, they should provide numerous insights concerning the presence of altered phases and organic matter during the primordial phases of the Solar System. As for Mars, its surface is fascinating especially thanks to the wide variety of minerals detected by various space probes. These minerals are tracers of many physical processes that have prevailed on the surface, allowing us to better understand the interactions between the different envelopes that are the internal structure, the surface, the atmosphere and the space environment of Mars. In the work I carried out during my thesis, I focused on the study of the surface mineralogy obtained by hyperspectral imagery, at a macroscopic scale with the OMEGA/Mars Express instrument for quantifying the abundance of minerals tracing the magmatic and volcanic activities on Mars and, at the microscopic scale, with the microscope MicrOmega, focusing on the calibration of the instrument and the characterization of samples in laboratory, within the framework of the future investigations of the Hayabusa-2 mission to the C-type asteroid Ryugu.Regarding Mars, the major results are the following. A new product based on the entire OMEGA instrument dataset acquired in the near infrared has been constructed, combining all the observations adapted to the study of mineral distribution at the global scale. This global 3D reflectance cube of Mars was used to produce new mineral maps providing a further step of analysis compared to past studies. A radiative transfer model was then applied to all spectra presenting mafic mineral signatures in order to quantify the abundances of minerals tracing the magmatic and volcanic activities. The global maps of pyroxenes, olivine and plagioclase presented in this thesis represent the first maps of modal mineralogy of Mars at a resolution of ~ 1.5 km/px. A classification method has highlighted the presence of several distinct mineralogical classes revealing a certain heterogeneity of the surface at different scales. The chemical composition was then calculated and compared with the orbital and in situ measurements.As part of the preparation of the Hayabusa-2 mission, I exploited the calibration data of the hyperspectral imaging microscope MicrOmega. The data reduction and analysis allowed us to derive the 4D transfer function (position on the field of view, wavelength and operating temperature) of the instrument in the full range of values of its functional parameters. The instrumental performances regarding to the identification were also validated: detection of absorption bands of the order of 1% in reflectance with an accuracy of 5 nm on the position of the band and a quantification of the overall reflectance level of the order of 20%. This calibration also highlighted the fact to carefully prepare in advance the operations so as to maximize the signal-to-noise ratio as a function of the functional and environmental parameters and, thus to interpret as much as possible the scientific data that will be acquired once on the asteroid surface. Finally, I also participated in various campaigns of measurements of natural samples with MicrOmega revealing the ability of this instrument to characterize samples at a microscopic scale (10s μm/px).
L’exploration spatiale effectuée par les missions orbitales et in situ a permis de mettre en évidence la grande diversité d’objets planétaires rencontrés dans le Système Solaire. Les propriétés de leurs surfaces et notamment leurs compositions sont d’excellents témoins des différents processus physiques endogènes et exogènes ayant façonné ces différents corps depuis leur formation jusqu’à aujourd’hui. Ma thèse a pour contexte l’exploration spatiale multi-échelle des surfaces de deux types d’objets que sont les astéroïdes de type-C et Mars. Les astéroïdes de type C sont des corps très primitifs et ainsi reconnus pour contraindre les premiers stades d’évolution du Système Solaire. Ils peuvent notamment apporter de nombreux indices concernant la présence de phases altérées et de matière organique lors des phases primordiales du Système Solaire. Quant à Mars, sa surface se révèle fascinante en particulier grâce à la grande variété des minéraux détectés par les différentes sondes spatiales. Ces minéraux sont traceurs de nombreux processus physiques qui ont prévalu à la surface permettant ainsi de mieux comprendre les interactions entre les différentes enveloppes que sont la structure interne, la surface, l’atmosphère et l’environnement spatial de Mars. Dans ce travail de thèse je me suis intéressée à l’étude de la minéralogie des surfaces obtenue par imagerie hyperspectrale, d’une part à l’échelle macroscopique avec l’instrument OMEGA/Mars Express dans le but de quantifier les abondances des minéraux traceurs des roches ignées sur Mars et, d’autre part, à l’échelle microscopique avec le microscope MicrOmega, en préparant les futures investigations de la mission Hayabusa-2 à destination de l’astéroïde de type-C Ryugu grâce à l’étalonnage de l’instrument et la caractérisation d’échantillons en laboratoire.Concernant Mars, les résultats majeurs sont les suivants. Un nouveau produit basé sur le jeu complet de données de l’instrument OMEGA dans le proche infra-rouge a été construit, combinant toutes les observations adaptées à l’étude globale des minéraux. Ce cube 3D global de réflectance de Mars a été utilisé pour produire de nouvelles cartes de détections et obtenir un niveau supplémentaire d’analyse en comparaison aux études passées. Un modèle de transfert radiatif a alors été appliqué à tous les spectres des zones présentant des signatures de minéraux mafiques dans le but de quantifier les abondances de ces minéraux traceurs de l’activité magmatique et volcanique. Les cartes globales de pyroxènes, olivine et plagioclase présentées dans cette thèse représentent les premières cartes de minéralogie modale de Mars à une résolution de ~1.5 km/px. Une méthode de classification a mis en lumière la présence de plusieurs classes minéralogiques variées révélant ainsi une hétérogénéité de la surface à différentes échelles. La composition chimique a ensuite été calculée et comparée avec les mesures orbitales et in situ.Dans le cadre de la mission Hayabusa-2, j’ai exploité les données d’étalonnage du microscope hyperspectral proche infra-rouge MicrOmega développé à l’IAS. La réduction et l’analyse des données a permis la construction de la fonction de transfert 4D (position sur le champ de vue, longueur d’onde et température d’opération) de l’instrument dans la gamme complète des valeurs de ces paramètres fonctionnels. Les performances instrumentales concernant l’aspect détection ont été également validées. Cet étalonnage a aussi mis en évidence l’importance de bien définir les opérations en amont de façon à maximiser le rapport signal sur bruit en fonction des paramètres fonctionnels et ainsi d’interpréter au mieux les données scientifiques qui seront acquises une fois au sol de l’astéroïde. Enfin, j’ai également participé à différentes campagnes de mesures d’échantillons naturels avec MicrOmega révélant la capacité de cet instrument à caractériser des échantillons à l’échelle microscopique (10s µm/px).
Origine : Version validée par le jury (STAR)
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