Accueil > Activité de recherche > Planétologie > Thèmes de recherche

Rechercher

août 2017 :

Rien pour ce mois

juillet 2017 | septembre 2017

Chimie cométaire

Les comètes, tout comme les petits corps du Système Solaire, font partie des objets les plus primitifs de notre Système Solaire, et sont considérées comme les témoins du passé renfermant des indices sur sa formation. Ces objets constituent des échantillons de la matière primitive qui composait la nébuleuse où se sont formées les planètes, il y a 4,5 milliards d’années. Les comètes sont des sortes de grosses boules de « neige sale », composées de silicates, de matière organique, d’eau et de gaz congelés.
Ce sont des objets qui ont des orbites majoritairement elliptiques (pour celles dont on a pu déterminer une période) et sont donc la plupart du temps loin de nous, et viennent croiser l’orbite de la terre de temps à autre. Loin du Soleil (au-delà de 3,5 à 4 unités astronomiques, UA (1 UA env. 150 millions de km, soit la distance moyenne entre le Soleil et la Terre)), les comètes sont des corps froids inactifs, et ne présentent pas de queues cométaires comme on se les représente souvent. Elles développent leurs queues et sont donc visibles à l’œil nu lorsqu’elles s’approchent du Soleil. C’est la forte intensité du rayonnement UV solaire reçu par la comète qui sublime les glaces composant la comète, formant alors une queue de poussières de couleur blanchâtre (1-10 millions de km), et une queue de plasma de couleur bleue (10-100 millions de km) - parfois une troisième queue peut être visible.

Comète de Halley photographiée par la sonde spatiale Giotto de l’ESA en 1986
Photo MPI für Aeronomie (Lindau, Allemagne) et ESA

Notre connaissance actuelle des comètes provient des observations astronomiques et des missions spatiales d’exploration in situ (Giotto, Vega 1 & 2, Sakigake, Suisei, Deep Space 1, Deep Impact, EPOXY) ou de retour d’échantillons (Stardust). Les observations par télédétection ont déjà permis d’identifier plus d’une vingtaine de molécules organiques simples.
La première visite rapprochée d’une comète, la comète de Halley (par Giotto, Vega 1 et 2) en 1986, a apporté le plus fabuleux coup d’œil d’un noyau cométaire enveloppé d’un halo de poussières, de gaz et de plasma, et les premières mesures in situ de ses paramètres physico-chimiques.

En 2006 la sonde américaine Stardust après un passage rapide d’environ 30 minutes dans la queue de la comète Wild 2 (à 250 km du noyau) rapporta pour la première fois sur Terre des échantillons de poussières interstellaires et cométaires.

Ces missions ont révélé l’existence de silicates, et qu’une fraction notable de la matière organique cométaire est présente sous forme de matériau organique réfractaire complexe, à haut poids moléculaire. Néanmoins, toutes ces analyses n’ont pas permis de déterminer la nature exacte de ces composés organiques solides. Rendez-vous est donc pris en 2014 entre Rosetta et la comète 67P/Churyumov-Gerasimenko (taille du noyau 4 km ; orbite de 6,6 ans autour du Soleil entre la Terre et Jupiter ; distances au Soleil variable de 186 à 857 Mkm).

L’équipe de Planétologie du LPC2E est fortement impliquée dans la mission Rosetta par le biais de 2 expériences à bord de l’orbiteur : COSIMA et ROSINA. Le LPC2E a fourni la source d’ions primaires (PIBS) de l’instrument COSIMA, et possède un modèle de laboratoire servant à la calibration des données COSIMA.
Les données des instruments COSIMA, comme celles de ROSINA, à bord de Rosetta, étaient parmi les plus attendues et sont déjà considérées parmi les plus marquantes de la mission Rosetta.

L’expérience COSIMA
L’expérience ROSINA

L’expérience COSIMA

Instrument COSIMA XM. 
Credits : MPE/MPS/vH&S

L’expérience COSIMA (COmetary Secondary Ions Mass Analyzer) est dédiée à l’analyse in situ des poussières cométaires à partir de l’orbiteur de la mission Rosetta. COSIMA contribue à l’un des objectifs scientifiques prioritaires de la mission : l’étude de la composition chimique élémentaire et moléculaire, voire isotopique, des grains de poussières cométaires.

Conçu pour fournir des informations cruciales sur la composante organique et minérale de la matière primordiale du Système solaire, COSIMA est un mini-laboratoire de physico-chimie : c’est un instrument TOFSIMS (Time Of Flight – Secondary Ion Mass Spectrometry) équipé d’un bras robotique pour déplacer les cibles collectrices des grains cométaires , d’un microscope optique servant à localiser et sélectionner les grains collectés sur la cible en les prenant en photo, et d’une station chimique. Il est extrêmement interactif et génère un nombre élevé de spectres de masse.

Informations données par COSIMA/Rosetta

  • Collecte des particles : Flux
  • Regarde les particles : Morphologie
  • Analyses des particles : Composition

Calibration sol des données COSIMA
Il existe 2 modèle au sol de COSIMA servant à la calibration des données : le RM (Reference Model) au MPI de Lindau et l’OM (Orléans Model) au LPC2E.
En effet, l’équipe possède au laboratoire un spectromètre TOF-SIMS non commercial (construit durant la phase de qualification du module d’ionisation que le LPC2E a fourni), reconnu comme l’un des modèles de référence (OM pour « Orléans Model ») de COSIMA. Depuis le lancement de Rosetta, l’une des contributions majeures de l’équipe repose sur l’utilisation de ce modèle et la mise en oeuvre d’un programme d’analyse d’analogues cométaires en vue d’aider à l’interprétation des données de vol. Ces travaux donnent lieu à une importante activité scientifique soulignée par plusieurs publications et 2 thèses co-dirigées.

Collecte et analyse des grains de poussières de la comète 67P/CG : COSIMA
 
La période 2014-2016 a été marquée par la phase opérationnelle de la mission. COSIMA a détecté plus de 31 000 grains de poussières cométaires, et ce même durant la phase initiale de rendez-vous de Rosetta avec la comète, période de faible activité cométaire entre 3 et 3,4 UA du Soleil, alors que les modèles prédisaient des taux de collecte très faibles. Le nombre et la taille de ces particules de poussières excédent toutes les prédictions (Schulz et al., 2014 ; Mérouane et al., 2016). Aucun cratère d’impact n’a été observé sur les cibles collectrices, ce qui est en accord avec de faibles vitesses d’impact (< à 10 m/s) comme déterminées par l’instrument GIADA (Rotundi et al., 2015). Les particules les plus abondantes sont les particules floculentes. Les différences observées dans la typologie des particules collectées sont telles qu’il est possible d’identifier plusieurs classes bien définies, avec une dichotomie majeure entre les particules compactes, et les particules en amas d’un large éventail de types (amas brisés, les amas collés et les amas en empilements lâches) (Langevin et al., 2016). L’analyse chimique de cette collecte a montré récemment que la matière carbonée composant la poussière de la comète Tchoury est de structure macromoléculaire (Fray et al., 2016).
 
 

L’expérience ROSINA

Analyse des gaz de la comète 67P/CG 
Depuis 2008, une forte collaboration scientifique est également engagée avec l’équipe de l’Université de Berne en charge de l’instrument ROSINA (Rosetta Orbiter Spectrometer for Ion and Neutral Analysis) sur Rosetta. ROSINA est constitué de 2 spectromètres de masse permettant de connaître la composition de l’environnement atmosphérique et ionosphérique de la comète, et d’un senseur de pression. Sorte de renifleur, cet appareil analyse les gaz qui s’échappent du noyau de la comète. Il permet de déterminer la composition chimique ainsi que la température du gaz de l’atmosphère et des ions dans l’ionosphère de 67P/CG. Depuis son réveil début avril 2014, ROSINA a quasiment fonctionné en continu.

La période 2014-2016 a été marquée par une production scientifique majeure pour la communauté cométaire.
Voir les actualités

Les principales espèces volatiles mesurées sont l’eau (H2O), le monoxyde et le dioxyde de carbone (CO et CO2), mais ROSINA montre clairement que le rapport de concentration, dans la coma, entre ces espèces varie très sensiblement en fonction des régions observées au dessus de la surface, impliquant des sources différentes à la surface (Hässig et al., 2015).

ROSINA a aussi détecté un grand nombre d’espèces mineures (Le Roy et al., 2015).

La mesure du rapport D/H de 67P/CG était très attendue. ROSINA a révélé que ce rapport était 3 fois plus élevé (5,3x10-4) que celui des océans terrestres (Altwegg et al., 2014), encore plus élevé que n’importe quelle mesure effectuée sur une comète du nuage d’Oort. Cette découverte surprenante montre que la diversité des comètes est plus complexe que ce que prédisaient les modèles simples à deux familles de comètes, et indiquerait plutôt une origine différente celles de la famille de Jupiter, sur des distances beaucoup plus étendues que ce que l’on supposait jusqu’alors.

Pour la première fois, de l’azote moléculaire N2 a été détecté dans une comète (Rubin et al., 2015). Cette découverte indique une température très froide lors de la formation de la glace cométaire de la comète 67P/CG sans doute inférieure à 30K.
Elle conforte aussi l’idée que l’azote terrestre ne provient probablement pas de comètes de type de 67P/CG.

ROSINA a détecté pour la première fois la présence d’oxygène moléculaire, O2 (Bieler et al., 2015). L’oxygène atomique, O, est l’un des composants les plus abondants dans l’univers, l’oxygène gazeux (moléculaire O2), lui, est loin d’être fréquent. Les mesures montrent des valeurs extrêmement élevées du rapport O2/H2O variant entre 1 % et 10 %, avec une valeur moyenne de 3,8 %, et, surtout, que ce rapport n’a pas évolué de manière significative au fil des milliers de mesures réalisées entre septembre 2014 et mars 2015 alors que Rosetta circulait à une distance comprise entre 10 et 30 km du noyau. O2 aurait été incorporé dans la glace du noyau pendant sa formation et non pas produit actuellement par l’interaction des matériaux du noyau ou de la coma avec le vent solaire et le rayonnement UV du Soleil. O2 devait être présent dans la nébuleuse primitive et aurait ensuite été aggloméré dans la glace du noyau de la comète.

La glycine et le phosphore, des ingrédients considérés comme cruciaux dans l’origine de la vie sur Terre ont aussi été détectés (Altwegg et al., 2016)
 

Contact :
C. Briois

Un laboratoire fondateur de l’Observatoire des Sciences de l’Univers en région Centre
OSUC
Nos tutelles
Université d'Orléans CNRS
Notre partenaire privilégié
CNES
Nos investissements d'avenir
Voltaire ESEP Planex