Résidus du disque primitif dans lequel les planètes se sont formées, les astéroïdes et les comètes fournissent des contraintes sur les processus de formation et d’évolution du système solaire. A partir des images de la mission Rosetta, l’objectif de cette thèse est de caractériser les morphologies de surface de ces petits corps, et d’en étudier les processus qui ont permis de les former et de les faire évoluer.Sur l’astéroïde (21) Lutetia, le relief est contrôlé par les impacts, formant des cratères, des nappes d’éjectas, des fractures et des boulders.Sur la comète 67P, la région Imhotep, située au niveau de l’équateur, présente des terrains lisses et des terrains consolidés très fracturés. Elle est la seule région à présenter des dizaines de structures circulaires de moins de 60 m de diamètre, probablement très anciennes (Ga), que l’on trouve associées à des couches stratifiées de quelques mètres d’épaisseur. Lors du passage au périhélie, des changements de grande envergure se sont produits dans les terrains lisses ; ils pourraient être liés aux contraintes mécaniques opérant dans le sous-sol de la comète. Un type particulier de fractures observé en surface de 67P a aussi été étudié. Ces fractures se joignent pour former des polygones 3 m en moyenne. Ces polygones résultent probablement des fortes variations de température en surface et en subsurface. Plus généralement, les observations et les travaux d’interprétation à partir des données de la mission Rosetta montrent que les morphologies de surface sur 67P sont autant dues à sa formation et à des processus endogènes qu’à des processus exogènes et évolutifs tels que la sublimation ou les contraintes thermiques. / Residuals from the accretion disk in which planets formed, asteroids and comets provide important constraints on the solar system formation and evolution processes. Based on the images from the Rosetta mission, the main objectives of this thesis are to characterize the morphologies at the surface of these small bodies and to study the processes responsible for their formation and evolution.On asteroid (21) Lutetia, the relief is controlled by impacts, forming craters, ejecta blankets, fractures and boulders.On the nucleus of comet 67P, the Imhotep region, located at the equator of the nucleus, presents smooth terrains and consolidated terrains, heavily fractured. It is the only region that shows tens of circular features less than 60 m in size, probably ancient, which we find associated with layers of several meters thick. During the passage at perihelion, major changes occurred in smooth terrains ; they may be linked to mechanical stresses acting in the nucleus subsurface. A particular type of fractures observed at the surface of 67P has also been studied in detail. These fractures join each other in polygons of roughly 3 m in size. These polygons probably result from the strong variations of temperature at the surface and subsurface. More generally, the observations and their interpretation from Rosetta data show that the morphologies at the surface of 67P can result from its formation and endogeneous processes, as well as from exogeneous and evolutionary processes such as the sublimation of ices or thermal stresses.

L'étude des micrométéorites CONCORDIA, collectées dans les neiges des régions centrales antarctiques, ouvre une fenêtre pour l'étude de la formation du système solaire. Les micrométéorites ont également pu jouer un rôle dans l'apparition de la vie sur Terre.

L’étude en laboratoire de matériaux extraterrestres provenant d’objets ayant peu ou pas évolué depuis leur formation il y a environ 4.6 milliards d’années, peut améliorer notre connaissance sur les débuts de notre système planétaire. Par ailleurs, la simulation en laboratoire de certains processus que ces matériaux sont susceptibles de subir au cours de leur histoire apporte également de précieuses informations pour l’interprétation des données issues des observations astronomiques ainsi que pour la compréhension de l’évolution des solides du Milieu Interstellaire jusqu’à leur incorporation dans des objets planétaires, objets incluant aussi toutes sortes de débris tels que les astéroÏdes, les comètes et toutes sortes de poussières accessibles à la collecte et/ou à l’observation.Au cours de cette thèse, l’analyse des matériaux organiques ainsi que des matériaux silicatés, jusqu’alors peu étudiés conjointement, dans les poussières stratosphériques d’origine cosmique, révèle une corrélation entre la minéralogie des grains et la longueur des chaînes carbonées. Ce lien ne semble pas le fruit de processus à la surface des corps parents des grains mais semble plutôt tracer des processus pré-accrétionnels. La conservation de composants peu altérés sur les corps parents dans les matériaux extraterrestres est encore une fois confirmée par la découverte, au cours de cette thèse, d’inclusions dans la météorite carbonée « Paris » dont les spectres infrarouges sont très similaires à ceux des composés carbonés observés dans le Milieu Interstellaire. L’étude de grains cométaires issus de la mission spatiale Stardust a montré, contrairement à l’idée que les comètes soient composées uniquement de matériaux primitifs puisque conservés dans un réservoir froid, que celles-ci contiennent aussi un certain nombre de matériaux formés à haute température, confirmant alors de précédentes analyses d’échantillons de Stardust et impliquant des échanges de matériaux à grande échelle radiale dans le jeune Système solaire.La deuxième partie de ce travail, consacrée à l’étude d’analogues de matière extraterrestre, porte sur le rôle qu’ont pu jouer les matériaux à partir desquels les planètes telluriques se sont formées dans l’apport de l’eau sur la Terre dans le cadre du scénario dit de « wet accretion ». Les expériences effectuées au cours de cette thèse visant à simuler les interactions entre silicates et vapeur d’eau ont montré que ces matériaux permettent de stocker d’importantes quantités d’eau à leur surface par adsorption des molécules de la phase gazeuse. / Laboratory analyses performed on extraterrestrial materials originating from primitive bodies of our Solar System, that are bodies known to have suffered low alteration since their formation 4.6 billion years ago, can improve our knowledge on processes that have occurred in the early phase of our planetary system. Furthermore, laboratory simulations of some processes that these materials are likely to suffer during their life cycle also bring precious indications for interpreting observational data as well as for understanding the evolution of solids from the Interstellar Medium to their incorporation into planetary bodies, these latter including asteroids, comets and all kinds of dust that may be observed and/or collected back to Earth.During this thesis, the analysis of silicate as well as organic materials, which have not been much studied jointly so far, in stratospheric particles of cosmic origin, reveals a correlation between the mineralogy of the grains and the lengths of the chains of their carbonaceous component. This link does not seem to be due to parent body processing but rather to trace pre-accretionnal processes. The preservation of pristine components in extraterrestrial materials slightly altered on their parent bodies is again confirmed by the discovery in this work, of inclusions in the “Paris” carbonaceous chondrite whose infrared spectra are similar to the interstellar carbonaceous species. The study of cometary grains from the Stardust space mission showed, unlike the common idea that comets should be composed only of primitive materials since they reside in a cold reservoir, that comets do also contain a number of materials formed at high temperature, thus confirming results from previous studies of Stardust samples and implying large-scale radial mixing of materials in the young Solar system disk.The second part of my work, dedicated to experiments on primitive extraterrestrial amorphous silicates analogs, is aimed to study the role that materials from which Earth has accreted could have played in its water budget in the frame of the “wet accretion” scenario. The experiments performed along this thesis simulating interactions between silicates and water vapor, showed that silicates allow the storage of large quantities of water by adsorption onto their surface of molecules directly from the gas phase.

Les micrométéorites, échantillons extraterrestres de taille submillimétrique, dominent le flux de matière extraterrestre qui entre dans l'atmosphère terrestre. Toute micrométéorite est inévitablement altérée par son passage atmosphérique. Mais elles peuvent être trouvées enchâssées dans des météorites plus grandes, sous forme de microxénolithes. Les microxénolithes sont des micrométéorites anciennes, ils permettent d'étudier des époques passées de l'histoire du Système Solaire, pas accessibles par les micrométéorites. Des nouveaux microxénolithes ont été découverts et étudiés dans les chondrites H et dans la chondrite carbonée Isheyevo. Plusieurs techniques expérimentales (microscopie électronique à balayage et à transmission, spectroscopie Raman, spectrométrie de masse) ont été utilisées pour les caractériser, et des simulations numériques ont été réalisées pour étudier leur origine et les effets qu'ils subissent lors de leur passage dans l'atmosphère de la Terre.

Les comètes nous renseignent sur les conditions physico-chimiques du Système Solaire en formation. Leur observation en interférométrie millimétrique permet de cartographier l'émission des molécules dans la coma interne et d'étudier la morphologie du dégazage depuis le noyau. Des données de qualité unique ont été obtenues sur la comète C/1995 O1 (Hale-Bopp) avec l'interféromètre du Plateau de Bure de l'IRAM. Au cours de ma thèse j'ai analysé les données concernant H2S, SO, CS et CO. Mes travaux montrent que les molécules H2S et CO proviennent du noyau. La distribution radiale de l'emission de CS est compatible avec une source légèrement étendue, en accord avec sa production par la photolyse de CS2. Le taux de photodissociation de CS est mesuré. La distribution radiale de SO est plus étendue que si ce radical était créé uniquement par la photodissociation de SO2. Cela suggère la présence dans la coma d'une autre source de SO ou d'une source étendue de SO2. Les observations indiquent que H2S est libéré de manière quasi isotrope à la surface du noyau. CS et SO sont présents dans un jet à haute latitude sur le noyau. Le jet de CO proche de l'équateur résulte d'une inhomogénéité de production à la surface et non d'une structure de choc liée à la forme et à la topographie du noyau, comme le montrent les simulations réalisées à partir des résultats d'un modèle hydrodynamique de coma. Nous interprétons les différences entre les profils de dégazage des différentes espèces comme une conséquence de l'inhomogénéité de composition du noyau. Les outils et les méthodes développés seront utiles pour préparer et analyser les futures observations de comètes en interférométrie millimétrique.

L'étude en laboratoire de matériaux extraterrestres provenant d'objets ayant peu ou pas évolué depuis leur formation il y a environ 4.6 milliards d'années, peut améliorer notre connaissance sur les débuts de notre système planétaire. Par ailleurs, la simulation en laboratoire de certains processus que ces matériaux sont susceptibles de subir au cours de leur histoire apporte également de précieuses informations pour l'interprétation des données issues des observations astronomiques ainsi que pour la compréhension de l'évolution des solides du Milieu Interstellaire jusqu'à leur incorporation dans des objets planétaires, objets incluant aussi toutes sortes de débris tels que les astéroÏdes, les comètes et toutes sortes de poussières accessibles à la collecte et/ou à l'observation.Au cours de cette thèse, l'analyse des matériaux organiques ainsi que des matériaux silicatés, jusqu'alors peu étudiés conjointement, dans les poussières stratosphériques d'origine cosmique, révèle une corrélation entre la minéralogie des grains et la longueur des chaînes carbonées. Ce lien ne semble pas le fruit de processus à la surface des corps parents des grains mais semble plutôt tracer des processus pré-accrétionnels. La conservation de composants peu altérés sur les corps parents dans les matériaux extraterrestres est encore une fois confirmée par la découverte, au cours de cette thèse, d'inclusions dans la météorite carbonée " Paris " dont les spectres infrarouges sont très similaires à ceux des composés carbonés observés dans le Milieu Interstellaire. L'étude de grains cométaires issus de la mission spatiale Stardust a montré, contrairement à l'idée que les comètes soient composées uniquement de matériaux primitifs puisque conservés dans un réservoir froid, que celles-ci contiennent aussi un certain nombre de matériaux formés à haute température, confirmant alors de précédentes analyses d'échantillons de Stardust et impliquant des échanges de matériaux à grande échelle radiale dans le jeune Système solaire.La deuxième partie de ce travail, consacrée à l'étude d'analogues de matière extraterrestre, porte sur le rôle qu'ont pu jouer les matériaux à partir desquels les planètes telluriques se sont formées dans l'apport de l'eau sur la Terre dans le cadre du scénario dit de " wet accretion ". Les expériences effectuées au cours de cette thèse visant à simuler les interactions entre silicates et vapeur d'eau ont montré que ces matériaux permettent de stocker d'importantes quantités d'eau à leur surface par adsorption des molécules de la phase gazeuse.

Les comètes sont les vestiges de la "nébuleuse solaire", c'est-à-dire du disque proto-planétaire qui a engendré notre système solaire. Elles sont composées de glaces et de poussières contenant des matériaux et molécules organiques ainsi que des minéraux. La composition des comètes reflète au premier ordre celle des glaces interstellaires. Toutefois, cette filiation n'est pas avérée. Au cours de la période pré-accrétionelle, le matériau cométaire a potentiellement subi l'action de nombreux processus physiques (chauffage, irradiation UV et particulaire) qui ont nécessairement altéré sa structure et sa composition.L'objectif ce cette thèse est de mieux comprendre, grâce à des expériences de laboratoire, l'effet des processus de chauffage et d'irradiation ionique sur des analogues de matière cométaire (glaces et matériaux carbonés). Une partie de ces expériences porte sur l’évolution de la deutération des molécules organiques lors du réchauffement des glaces. Elles ont été menées à l’IPAG (Institut de Planétologie et d’Astrophysique de Grenoble) et au PIIM (Laboratoire de Physique des Interactions Ioniques et Moléculaires) à Marseille. Elles démontrent qu'un équilibrage isotopique a lieu au cours de la cristallisation, sur des échelles de temps de l'ordre de l'heure à des températures supérieures à 120 K, pour les groupements chimiques capables de former des liaisons hydrogènes avec l'eau (groupements -OH et -NH2). Cet équilibrage efface ainsi le fractionnement initial de certaines molécules, ou certains groupements chimiques, dans la phase post-sublimation. Ce résultat permet en particulier d'expliquer la deutération sélective des isotopologues du méthanol dans les cœurs chauds des proto-étoiles.Un second volet de la thèse a porté sur l'étude de la formation de la matière organique réfractaire présente dans les astéroïdes et les comètes. Des expériences de chauffage et d’irradiation ont été menées à l'IPAG, au GANIL (Grand accélérateur national d’ions lourds) à Caen, et au CSNSM (Centre de Sciences Nucléaires et de Sciences de la Matière) à Orsay. Nous montrons qu'un chauffage au-delà de 400° C de précurseurs simples permet la formation de carbones désordonnés polyaromatiques dont la structure est proche de celle observée dans les objets primitifs du système solaire. Les effets de l’irradiation ionique sont plus difficiles à évaluer car ils dépendent du pouvoir d'arrêt des précurseurs cibles et des ions projectiles. Des contraintes sur les doses nucléaires maximales reçues par la matière primitive sont néanmoins déduites (D<14 eV/atome). In fine, ces simulations démontrent qu'un processus de chauffage apparaît comme beaucoup plus probable que les processus radiolytiques, mais une combinaison des deux ne peut pas être exclue.Enfin, cette thèse a bénéficié des premières données in situ de la mission spatiale européenne ROSETTA en orbite autour de la comète Churyumov-Gerasimenko (67P) de juillet 2014 à septembre 2016. L’analyse des données du spectro-imageur VIRTIS-M a permis de montrer qu’un matériau organique semi-volatile, contenant notamment des acides carboxyliques, est présent de manière quasi-homogène sur toute la surface de la comète 67P. / Comets are remnants of the "solar nebula", i.e. the protoplanetary disk from which our solar system formed. They are composed of ice and dust containing minerals and organic materials and molecules. The comets' composition reflects at the first order that of interstellar ices. However, this relationship has not been proven. During the pre-accretional phase, the comet material has potentially undergone the action of many physical processes (heat, UV and particule radiation) which have undoubtedly altered its structure and composition.This thesis objective is to better understand, through laboratory experiments, the effect of heating and ion irradiation processes on cometary matter analogues (ice and carbonaceous materials). Some of these experiments focuses on the evolution of the organic molecules deuteration during ice heating. They were conducted at the IPAG (Institute of Planetology and Astrophysics of Grenoble) and the PIIM (Physics Laboratory of Ionic and Molecular Interaction) in Marseille. They demonstrate that isotopic equilibration takes place during crystallization, on a timescale of an hour at temperatures above 120 K, for the chemical groups capable of forming hydrogen bonds with water (OH and NH2 chemical groups). Thus, this equilibration erases the initial fractionation of certain molecules or certain chemical groups, during the post-sublimation phase. This result explains in particular the selective deuteration of isotopologues methanol in protostars hot cores.A second part of the thesis focused on the study of the formation of refractory organic matter found in asteroids and comets. Heating and irradiation experiments were conducted at the IPAG, at the GANIL (Grand National Accelerator heavy ion) in Caen, and the CSNSM (Nuclear Sciences Centre and the Material Sciences) in Orsay. We show that heating simple precursors above 400° C allows the formation of disordered polyaromatic carbons whose structure is close to that observed in the primitive objetcs of the solar system. Ion irradiation effects are more difficult to assess because they depend on the stopping power of precursors target and projectile ions. Nevertheless, constraints on maximum nuclear doses received by primitive matter are deducted (D>14 eV/atom). Ultimately, these simulations demonstrate that heating processes appear to be much more likely than radiolytic processes, but a combination of the two can not be ruled out.

Le travail réalisé au cours de ma de thèse avait pour but de placer de nouvelles contraintes sur la composition du ou des précurseurs organiques présents dans la nébuleuse proto-solaire. Des expériences de thermodégradation ont été mises en place en utilisant des matériaux modèles riches en azote. La spectrométrie de masse à haute résolution (Orbitrap) à été utilisée afin de mieux caractériser les polymères de HCN, autre matériau modèle. Ce travail apporte de nouvelles informations sur la diversité moléculaire de tels matériaux, ainsi que de nouvelles informations sur leur structure. Les expériences de thermodégradation proprement dites ont ensuite été réalisées, afin de mieux comprendre le comportement de l'azote dans les matériaux organiques macromoléculaires, et ainsi apporter de nouvelles contraintes sur l'origine de la matière organique présente dans les différentes classes de cosmomatériaux (chondrites carbonées, IDPs et UCAMMs). Cette série d'expériences nous a permis de mettre en évidence une probable différence de précurseur entre la matière carbonée des IOMs et celle des IDPs et UCAMMs. / The aim of my PhD work was to add some new constraints on the organic precursors compositions in the early solar system. Thermal degradation experiments have been performed, using N-rich analog materials. High resolution mass spectrometry gives us the possibility to better characterize the HCN polymers another type of analog materials. This part of the study provides us new informations about the molecular diversity of HCN polymers and also new constraints on their structure. The thremal degradation experiments were then performed. The aim of this study was to provide some new constraints on the composition of the organic precursors present in the early solar system and incorporated in the different bodies (carbonaceous chondrites, IDPs, UCAMMs). We can conclude that the organic precursor of the IOMs was poor in nitrogen while the organic matter accreted by the parent bodies of IDPs and UCAMMs was probably nitrogen rich.

Depuis la découverte de la chiralité moléculaire par Pasteur il y a plus de 150 ans, l'origine de l'homochiralité de la vie reste un mystère non résolu et troublant, qui remonte probablement à l'origine de la vie elle-même. Cette énigme a récemment été recensée dans Nature comme étant l’une des cinq plus grandes énigmes non résolues par la science.Aujourd'hui il existe deux façons d’aborder le problème de l'origine de l'asymétrie moléculaire impliquant des scénarios soit déterministes soit aléatoires. Ces derniers étant basés sur la résolution spontanée des énantiomères, et sont donc impossible à tester. En revanche, les théories déterministes peuvent être confrontées à l’expérience afin notamment de valider la reproductibilité de leur influence chirale.Le présent manuscrit est une synthèse bibliographique et expérimentale mettant en évidence les interactions de la LPC avec des molécules chirales dans le cadre de l’origine de l’homochiralité de la vie. Ces travaux ont pour but de mieux comprendre les propriétés chiroptiques de molécules chirales ainsi que de déterminer les espèces chirales susceptibles d'être présentes dans la glace cométaire / Since the Pasteur’s discovery of chirality more than 150 years ago, the origin of homochirality remains to be an unresolved mystery, which is probably linked to the origin of life-itself. This puzzle was named by the journal Nature as one of the five biggest unresolved puzzles in modern science.Today there exist two ways to address the question of the origin of molecular homochirality. It implies either deterministic or chance scenario. The latest is based on the spontaneous resolution of enantiomers by phase transition, and in consequence, it cannot be tested. On the other hand, deterministic theories can be subjected to experimental confirmation, since if there was, in fact, a chiral influence that imposed its chirality this should in principle be reproducible.The presented manuscript is a synthesis of bibliographic research and experimental studies that focus on the interaction of CPL with chiral molecules which are put in the context of the origin of homochirality of life. This work is aiming to advance our understanding of chiroptical properties of chiral molecules as well as to determine chiral species susceptible to be present in cometary ice

Les molécules ayant des protons en position échangeable possèdent des isomères de spin nucléaires différents. Leur interconversion, interdite à l'ordre zéro par la mécanique quantique, dépend en partie de l'environnement.<br />Dans les atmosphères cométaires, la mesure du rapport d'abondance de ces isomères pour les molécules de H2O, NH3, CH4, et plus récemment de CH3OH, montre un écart à l'équilibre thermodynamique. Sa signification physique est à ce jour au cœur d'un débat : est- ce un indicateur de la température qui régnait dans l'environnement primordial au sein duquel se sont formées ces molécules ? <br />Ce travail expérimental alliant techniques de vide et de cryogénie, vise à identifier, en amont d'une étude dans les glaces cométaires, certains paramètres impliqués dans la conversion de spin nucléaire de H2O isolée dans des environnements plus simples : les matrices de gaz rare. Dans un tel environnement, un enrichissement en isomère de spin ortho ou para est produit par un changement brutal de température (entre 4,2 et 30 K). La détermination du temps de retour à l'équilibre thermodynamique se fait à partir de l'enregistrement dans le temps des spectres infrarouges ro-vibrationnels des modes Ν2 (déformation angulaire) et Ν3 (élongation antisymétrique), au moyen d'un spectromètre commercial IR par transformée de Fourier.<br />L'étude systématique en fonction de la concentration que nous avons réalisée à 4,2 K en matrice d'argon, montre qu'il existe deux régimes de conversion qui sont en compétition. Pour des dilutions [Ar/H2O] supérieures à 1000, les temps de conversion (~670 minutes) sont indépendants de la concentration et atteignent un plateau. Cette conversion qui n'est pas imputable à des effets parasites (impuretés moléculaires, exposition au rayonnement IR du spectromètre, influence du support, ...) est sans doute due à un processus d'origine intramoléculaire, accéléré par la matrice. Par contre, en dessous du 1000ème, une accélération très nette de la conversion avec l'augmentation de la concentration est observée (~180 minutes au 50ème), indiquant clairement une origine intermoléculaire. Nous avons, dans ce cadre, développé un modèle faisant intervenir des interactions magnétiques entre les spins nucléaires des protons appartenant à des molécules d'eau différentes, et des échanges d'énergie avec les phonons de la matrice. Ce modèle, qui ne dépend que de l'écart en énergie entre les niveaux de rotation et du taux de relaxation collisionnelle de la molécule isolée en matrice, autorise la conversion d'origine intermoléculaire à 4,2 K en ouvrant un canal de conversion couplant le premier niveau de rotation de chacun des isomères de spin. L'existence d'un deuxième canal, plus efficace d'un ordre de grandeur à 25 K, dû à un effet de population, explique l'accélération observée à température croissante.<br />La substitution de l'argon par du néon, du krypton ou du xénon, a permis de montrer, en accord complet avec le modèle, que le mécanisme d'origine intermoléculaire est plus efficace dans la matrice qui a le paramètre de maille le plus faible.