Solid organics in small icy bodies : experimental approaches and interpretation of VIRTIS/Rosetta spectral data
Solides organiques dans les petits corps glacés : approches expérimentales et interprétation des données spectrales issues de mission VIRTIS/Rosetta
Résumé
The Rosetta space mission explored comet 67P/Churyumov-Gerasimenko between July 2014 and September 2016. During two years, extensive mappings in the visible and infrared ranges have been achieved by the VIRTIS imaging spectrometer (Visible InfraRed Thermal Imaging Spectrometer). This instrument has revealed a very dark and reddish surface, which has been interpreted by the presence of a dark carbonaceous material mixed up with opaque minerals (presumable Fe-Ni alloys and pyrrhotite). VIRTIS has also revealed, for the first for a comet, a broad band at 3.2 µm. The nature of this band was unclear at the beginning of this thesis, and two main semi-volatile compounds were suspected: ammonium salts and carboxylic acids.In this thesis, we have investigated these two hypotheses through laboratory experiments. We first conducted FTIR transmission experiments on pure solid carboxylic acids and ammonium salts. In a second step, we collected reflectance spectra of analogs of the refractory crust. A particular attention was devoted to the production of such analogs, and we developed dedicated grinding and mixing protocols. We found that the most suitable analogs are those produced from the sublimation of ice + refractory + semi-volatile mixtures in a vacuum chamber. They account well for the fine-grained and highly porous cometary material. Our experiments show that the 3.2 µm band in VIRTIS spectra is consistent with the presence of ammonium salts, which are ubiquitous across the surface of the comet. These ammonium salts constitute a new reservoir of nitrogen in comet, which might at least partially account for the missing nitrogen in comets.The abundance of the ammonium salt could however not be determined. Our experiments reveal the lack of between the band depth and the ammonium abundance in the samples, pointing that the parameters that control the band depth are not elucidated yet. This result points to the difficult question of the characterization of the porous texture of the sublimation residues and of their complex geometries. The grain size distribution is definitely only one parameter among other ones, and future studies should focus on this point. At last, the modeling approaches based on Hapke models are definitely not suitable for these dark semi-volatile bearing materials, and great care should be devoted with values published so far in literature.
La mission spatiale Rosetta a exploré la comète 67P 67P/Churyumov-Gerasimenko entre Juillet 2014 et Septembre 2016. Pendant deux ans, des cartographies du noyau dans le visible et l’infrarouge ont été conduites par l’instrument VIRTIS (Visible InfraRed Thermal Imaging Spectrometer). Cet instrument a révélé une surface rougissante très sombre, interprétée par la présence d’un composé carboné réfractaire mélangé à des minéraux opaques (alliages Fe-Ni et/ou pyrrhotite). VIRTIS a aussi révél, pour la première fois dans le cas d’une comète, une bande large centrée à 3.2 µm. La nature de cette bande n’était pas clairement identifiée au début de cette thèse, et deux composés semi-volatile étaient suspectés : l’ion ammonium et un/des acides carboxyliques.Dans cette thèse, nous avons exploré ces deux hypothèses au travers d’expériences de laboratoire. Nous avons en premier lieu conduit des mesures FTIR en transmission sur des acides carboxyliques l’état solide et des sels d’ammonium. Dans un second temps, nous avons collectés des spectres de réflectance de matériaux modèles de la croûte cométaire. Une attention particulière a été déployée à la synthèse de ces matériaux modèle, et nous avons développé des protocoles dédiés de broyage et de mélange. Nous montrons que les matériaux modèle les plus représentatif de la croûte cométaire sont des résidus de sublimation formé en chambre sous vide à partir de mélange glace + réfractaires + semi-volatiles. Ils rendent bien compte de son état finement divisé et de forte porosité. Nos expériences montrent que la bande à 3.2 µm dans les spectres VIRTIS est liée à la présence de l’ion ammonium, qui semble ubiquite à la surface de la comète. Ces sels d’ammonium constitue un nouveau réservoir d’azote cométaire, et pourrait, au moins partiellement, rendre compte de l’azote manquant dans les comètes.La concentration des sels d’ammonium n’a toutefois pas pu être déterminée. Nos expériences ne montrent pas de corrélation entre la profondeur de la bande et la tenur en ions ammonium dans les échantillons, montrant que les paramètres contrôlant l’intensité de cette bande ne sont pas élucidés. Ce résult renvoie à la question difficile de la caractérisation de la porosité des échantillons et de leur géométrie complexe d’un point de vue topologique. La distribution en taille de grain n’est qu’un paramètre parmi d’autres, and les études futures devront se concentrer sur ce point. Enfin, l’approche de modélisation basée sur de modèles de Hapke n’est pas adaptée à ce type de matériaux très sombre, and les résultats publiés antérieurement doivent être considérés avec prudence.
Origine : Version validée par le jury (STAR)
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