Irradiation of cometary surfaces, application to the origin of the organic matter in ultra-carbonaceous micrometeorites

• Main Author: Rojas Arispe, Julien
• Other Authors: université Paris-Saclay, Duprat, Jean, Dartois, Emmanuel
• Format: Thesis
• Language: English
• Published: 2022
• Subjects: Micrométéorites; Matière organique; Disque protoplanétaire; Comètes; Irradiation; Spectrométrie de masse; Micrometeorites; Organic matter; Protoplanetary disk; Comets; Mass spectrometry; Antarctic; Antarc*; Antarctica; Antarctique*
• Online Access: http://www.theses.fr/2022UPASP011/document

Les micrométéorites sont des particules extraterrestres submillimétriques qui représentent la majeure source de matière interplanétaire accrétée par la Terre chaque année. L’analyse des micrométéorites permet d’étudier la diversité des petits corps du système solaire (astéroïdes et comètes). Cette thèse porte sur l’étude de micrométéorites provenant de la collection Concordia, constituée depuis 20 ans grâce à un programme réalisé auprès de la station de Dôme C (Antarctique). La première partie du travail présenté porte sur une étude quantitative sur le flux de matière interplanétaire arrivant sur Terre. L’étude basée sur plus de 2000 micrométéorites de la collection Concordia montre que le flux de micrométéorites est de ~10 μg/m²/an, qui correspond à un flux global annuel de 5200 ± 1500 tonnes sur l’ensemble de notre planète. Les résultats obtenus permettent de mieux contraindre les distributions en masse des particules dans le domaine en taille inférieure à 300 μm et leur comparaison avec les prévisions théoriques indiquent que la majorité des particules ont très probablement une origine cométaire. La seconde partie du travail présenté porte sur l’étude d’un type rare de micrométéorites, riches en matière organique : les micrométéorites antarctiques ultra-carbonées (UCAMM - Ultra-Carbonaceous Antarctic MicroMeteorites). L’analyse isotopique par spectrométrie de masse des ions secondaires à résolution nanométrique (NanoSIMS) révèle des hétérogénéités isotopiques en H, N et C de la matière organique des UCAMMs à l’échelle de plusieurs microns. La troisième partie présente des expériences d’irradiations de glaces par des ions lourds, menées à l’aide du dispositif IGLIAS durant trois sessions expérimentales auprès du Grand Accélérateur National d’Ions Lourds (GANIL). Ces expériences ont permis de simuler l’interaction du rayonnement cosmique Galactique sur des mélanges de glaces azotées et carbonées à basse température (10K). Un résidu organique solide est obtenu après sublimation des espèces volatiles à la fin de l’irradiation du film de glace. Les résultats obtenus montrent qu’il est possible de transmettre au résidu organique produit des hétérogénéités isotopiques présentes dans des couches initialement adjacentes de glaces irradiées. L’analyse par imagerie ionique NanoSIMS des résidus organiques montre la formation d’hétérogénéités isotopiques dans le résidu organique, qui sont comparables à celles observées dans les UCAMMs. Ces hétérogénéités isotopiques dépendent de la nature chimique du mélange de glaces irradiées. L’ensemble des résultats obtenus sur les UCAMMs et les expériences d’irradiation menées à GANIL sont mis en perspective et comparés aux données sur d’autres matériaux interplanétaires d’origine astéroïdale et cométaire. Les travaux menés confirment que ces particules interplanétaires exceptionnelles proviennent très probablement de la surface de corps glacés, riches en azote, ayant évolués dans les zones externes du système solaire. Ils confirment que les signatures isotopiques en éléments légers (H, N et C) des UCAMMs peuvent, en partie, être héritées de réservoirs parents gazeux présents dans le disque protoplanétaire. Je présenterai enfin de futures études possibles sur les UCAMMs permettant de mieux contraindre la composition de la surface des corps glacés présents à de grandes distances héliocentriques. Micrometeorites are submillimeter extraterrestrial particles that represent the major source of interplanetary material accreted by the Earth each year. The analysis of micrometeorites allows to study the diversity of small bodies of the solar system (asteroids and comets). This thesis is about the study of micrometeorites from the Concordia collection, developed over the last 20 years thanks to a program carried out at the Dome C station (Antarctica). The first part of the work presented concerns a quantitative study of the flow of interplanetary matter arriving on Earth. The study based on more than 2000 micrometeorites from the Concordia collection shows that the flux of micrometeorites is ~10 μg/m²/year, which corresponds to a global annual flux of 5200 ± 1500 tons on our planet. The obtained results allow to better constrain the mass distributions of the particles in the size range below 300 μm and their comparison with the theoretical predictions indicate that the majority of the particles have most probably a cometary origin. The second part of the presented work concerns the study of a rare type of micrometeorites, rich in organic matter: the Ultra-Carbonaceous Antarctic MicroMeteorites (UCAMM). Isotopic analysis of UCAMMs by nanoscale secondary ion mass spectrometry (NanoSIMS) reveals isotopic heterogeneities in H, N and C of the organic matter of UCAMMs at the scale of several microns. The third part presents experiments of ice irradiations by heavy ions, carried out with the IGLIAS device during three experimental sessions at the Large Heavy Ion National Accelerator (GANIL). These experiments have simulated the interaction of the Galactic cosmic rays on mixtures of nitrogen- and carbon-rich ices at low temperature (10K). A solid organic residue is obtained after sublimation of the volatile species at the end of the irradiation of the ice film. The results obtained show that isotopic heterogeneities present in initially adjacent layers of irradiated ice can be transmitted to the organic residue produced. NanoSIMS ion imaging analysis of the organic residue shows the formation of isotopic heterogeneities in the organic residue, which are comparable to those observed in UCAMMs. These isotopic heterogeneities depend on the chemical nature of the irradiated ice mixture. All the results obtained on UCAMMs and the irradiation experiments carried out at GANIL are put in perspective and compared to data on other interplanetary materials of asteroidal and cometary origin. The work carried out confirms that these exceptional interplanetary particles most probably come from the surface of icy bodies, rich in nitrogen, having evolved in the outer regions of the solar system. They confirm that the isotopic signatures in light elements (H, N and C) of UCAMMs can, in part, be inherited from gaseous parent reservoirs present in the protoplanetary disk. Finally, I will present possible future studies on UCAMMs to better constrain the surface composition of icy bodies present at large heliocentric distances.