Les astéroïdes Cérès et Vesta ont motivé la mission spatiale Dawn parce qu'ils représentent deux embryons planétaires différents restés relativement intacts depuis leur formation. Vesta est large- ment considéré comme le corps parent des météorites HED témoins d'une activité magmatique probablement due à la présence de l'isotope radioactif 26Al qui était suffisamment abondant pour permettre la fusion interne des corps rocheux primitifs. La composition d'une surface planétaire peut être mesurée grâce à l'analyse des rayons gammas qu'elle produit. Pour la sonde Dawn cela est rendu possible par l'instrument GRaND et la scintillation d'un cristal de BGO. Cette thèse présente l'analyse des spectres gammas de Vesta par deux outils de séparation aveugle de source: l'analyse en composantes indépendantes (ICA) et la factorisation en matrice non-négative (NMF). Ces méthodes sont aussi appliquées à un jeu de données lunaire comparable et déjà bien interprété. Des spectres synthétiques lunaires permettent de tester ICA et NMF. La séparation de spectres élémentaires s'avère délicate même si on peut distinguer les éléments K, Th et Fe en raison des propriétés statistiques de leur signaux sources plus favorables. On mesure la sensibilité d'ICA-NMF à la variabilité chimique de la surface pour des Lunes artificielles, ce qui permet d'expliquer l'absence de séparation d'un signal élémentaire clair dans le cas de Vesta. Malgré les observations de la sonde Dawn et le nombre important d'informations fournies par les HED, il n'y a pas de consensus sur la formation des HED. On met souvent en avant l'existence d'un océan magmatique global sur Vesta, alors que la migration de la principale source chaleur, contenue dans le premier minéral fondu, le plagioclase, ne permet pas la fusion totale. On met en oeuvre un modèle de migration des magmas, basé sur les équations de la compaction. On adapte ce modèle en utilisant un diagramme d'équilibre de phase olivine-anorthite-quartz. Cela permet de calculer l'évolution de la minéralogie en fonction du temps et de la profondeur. Les résultats montrent que les eucrites et les diogénites pourraient être une caractéristique commune des gros corps accrétés tôt dans l'histoire du système solaire. / Asteroids Vesta and Ceres motivated the space mission Dawn because they represent two different planetary embryos that remained relatively intact since their formation. Vesta is broadly considered as the parent body of the HED meteorites suite that are witnesses of a magmatic activity probably due to the presence of the radioactive isotope 26 Al which was present in significant amount to cause internal melting of primitive rocky bodies. The composition of a planetary surface can be quantified through the analysis of the gamma rays it produces. This is made possible for the Dawn spacecraft by the instrument GRaND and the scintillation of a BGO crystal. This thesis presents the analysis of gamma ray spectra from Vesta by two blind source separation methods: the independent component analysis and the non negative matrix factorization. These methods are also applied to an equivalent lunar dataset already well interpreted. Lunar synthetic spectra are used to test ICA and NMF. The separation of elementary spectra is delicate although K, Th and Fe can be discriminated due to the more favorable statistical properties of their source signals. The sensitivity of separation to the chemical variability is assessed based on artificial lunar spectra, which allows to explain the lack of separation of a clear elemental signal in the case of Vesta. Despite the observations of Dawn and the important collection of HED data, there is no consensus on the conditions of the vestan magmatism. A global magma ocean is often put forward, whereas the migration of the heat source, contained in the easiest mineral to melt, plagioclase, does not allow it. A model of melt migration is implemented, based on two-phase flow equations. This model is combined with the olivine-anorthite-quartz equilibrium phase diagram. This allows to predict the mineralogy as a function of depth and time. Results obtained show that eucrites and diogenites may be a common feature of large bodies accreted early in solar system history.

Le travail qui est présenté dans ce mémoire aborde différents aspects de la différenciation planétaire et particulièrement les processus pouvant se produire lors de la formation d'un noyau au centre d'une planète. Il traite également de l'évolution de matériaux chondritiques avec la pression, la température et les conditions d'oxydoréduction, les chondrites représentant une classe de météorites communément proposées comme matériaux constructeurs possibles des planètes telluriques de notre système solaire. Durant mon travail de thèse, j'ai étudié la minéralogie du manteau inférieur de la Terre ainsi que les interactions entre métal et silicates pouvant se produire très en profondeur jusqu'à la frontière noyau-manteau. Les principales techniques utilisées au cours de ce travail furent la cellule à enclume de diamants pour élaborer les échantillons à hautes pressions et hautes températures et la microscopie électronique analytique en transmission (MET) pour extraire les informations chimiques et cristallographiques de ces échantillons. L'étude des météorites a débuté après ma thèse grâce à la caractérisation minéralogique fine de trois météorites martiennes par MET. Une fois en poste à Marne la Vallée, j'ai pu continuer à explorer les phénomènes liés à la formation de noyaux planétaires en débutant des études à plus basse pression centrées sur l'incorporation de plusieurs éléments légers (Si, O et S dans un premier temps, puis C dans un second temps) dans le métal au cours de la ségrégation. J'ai co-encadré, avec François Guyot, la thèse de Julien Siebert sur cette thématique pendant laquelle nous avons été en mesure de démontrer la miscibilité du système Fe-S-Si à partir de 15 GPa et 2000°C. A travers à ce travail, j'ai appris à utiliser deux nouvelles techniques expérimentales : les presses multi-enclumes et piston-cylindre. Pour finir, le soufre s'est révélé être un élément de première importance dans de tels systèmes avec la formation dans nos échantillons de monosulfures de type ningérite MgS ou oldhamite CaS, deux phases bien connues dans les météorites à enstatite. Une étude détaillant les mécanismes de formation de ces phases CaS-MgS-FeS a débuté au cours de mon séjour au Lunar and Planetary Institute de Houston. Les matériaux constructeurs de la Terre, de Mars et de Mercure restent encore un sujet débattu. Il m'a ainsi semblé essentiel de comprendre l'évolution chimique, minéralogique et texturale de matériaux chondritiques (synthétiques puis naturels) oxydés et réduits soumis à différentes conditions de pression et de température. En effet, tous ces paramètres physiques évoluent avec la taille du corps parent et l'intensité des bombardements des planétésimaux tout au long de la différenciation planétaire. La thèse de Sophie Berthet que je co-encadre avec Kevin Righter a pour but de comprendre le métamorphisme d'une chondrite à enstatite.

La découverte de nombreuses planètes extrasolaires depuis 1995 est une source d'inspiration pour les modèles de formation et évolution des systèmes solaires. Une fraction de ces planètes ont un demi-grand axe inférieur à 0.1 UA; une planète qui migre à proximité de son étoile subit donc d'abord un fort vent solaire et, après son entrée dans la magnétosphère stellaire, un fort champ magnétique. Nous étudions séparemment l'interaction entre ces planètes et la composante périodique et indépendente du temps du champ magnétique dipolaire stellaire. L'interaction périodique est associée à des courants induits confinés dans la planète. Nous étudions deux effets qui pourraient augmenter le moment angulaire d'une planète gaseuse géante qui migre vers son étoile: un torque de Lorentz qui transferre du moment angulaire de la rotation de l'étoile vers l'orbite de la planète et une perte de masse induite par la dissipation ohmique dans la planète qui peut donner du moment angulaire à la planète lorsque cette masse est accrétée sur l'étoile. Nous modellisons l'interaction indépendente du temps comme un modèle d'inducteur unipolaire, dans lequel le courant induit circule dans une boucle fermée formée par la planète, le flux de tube, et le pied du flux de tube dans l'atmosphère stellaire. Nous calculons de fa con cohérente la dissipation ohmique dans la planète et le pied du flux de tube ainsi que le couple de Lorentz. Nous utilisons alors ce modèle pour expliquer l'aspect enflé de certaines planètes géantes. Finalement, nous suggérons que ce modèle permettrait également d'estimer la conductivité électrique des super-Terres qui interagissent magnétiquement avec leur étoile.

Les chondrites à enstatite partagent un réservoir commun de l'isotope de l'oxygène avec la Terre et la Lune. Cette caractéristique soulève la question d'une possible participation de ce type de météorites à la construction de la Terre. Egalement, l'étude des chondrites à enstatite permet d'apporter de nouvelles contraintes pour comprendre plus en détail l'histoire de la différenciation de petits corps planétaires soumis à des conditions réductrices. La première étude expérimentale systématique à haute pression et haute température d'une chondrite à enstatite a ainsi été mise en oeuvre, entre 1 et 25 GPa, et entre 1200°C et 2500°C, couvrant ainsi les conditions de pression et de température du manteau supérieur terrestre. La météorite qui a été choisie pour cette étude s'appelle Indarch. Il s'agit d'une chondrite à enstatite de type EH4. A 1 GPa, l'effet de la fO2 sur les relations de phases de la météorite, ainsi que sur les coefficients de partage entre métal et silicate liquide des éléments S, Si, Cr, Mn, Ni, et Mo est étudié spécifiquement. Les phases silicatées et métalliques subissent de grands changements lorsque la fO2 varie de IW-1.5 à IW-4.5. Des monosulfures contenant les éléments (Fe, Mg, Mn, Ca, Cr) sont présents aux fO2 les plus réduites. La phase métallique de nos échantillons est toujours liquide et comprend deux phases immiscibles riches en fer : l'une pauvre en S et riche en C, et l'autre riche en S et pauvre en C. La phase riche en C est également riche en Si aux fO2 les plus réduites. Les relations de phases d'Indarch ont été déterminées entre 3 et 25 GPa, et entre 1500°C et 2500°C, nous permettant de proposer le premier diagramme de phases en pression et température pour une chondrite à enstatite. La phase métallique est toujours liquide et il s'agit d'un alliage Fe-Ni-S à ces plus hautes pressions. La formation d'un noyau planétaire à basse pression (0 à 5 GPa) sous des conditions très réductrices ne peut expliquer les appauvrissements observés de S dans les manteaux silicatés alors que plusieurs wt% de Si pourront être piégés dans le noyau. En revanche, à plus haute pression, l'incorporation de S dans le noyau sera facilitée sous des conditions plus oxydantes. Finalement, notre étude permet de proposer un modèle d'évolution d'un matériau chondritique en cours d'accrétion sous des conditions rédox variables

Les météorites sont des témoins de planétésimaux formés dans les cinq premiers millions d'années du système solaire. Leur grande diversité est liée à des évolutions thermiques différentes de leur corps parent, allant d'un simple métamorphisme à une différenciation complète manteau-noyau. Cette thèse s'intéresse à la mobilité relative silicate-métal dans les objets ayant connu un métamorphisme thermique ou la fusion partielle. Deux approches sont considérées : une naturaliste basée sur l'étude texturale d'échantillons naturels, l'autre expérimentale dans le but d'identifier et comprendre les processus physiques susceptibles de s'être produits. L'étude texturale sur les métaux et sulfures des chondrites ordinaires de type H, montre que, lorsque le métamorphisme augmente ces deux phases se séparent, changent de forme et croissent. Cette évolution se fait dans un ordre bien précis, cohérent avec les données de géochimie et les modèles thermiques, permettant de distinguer deux échantillons d'un même type pétrologique. On propose donc une nouvelle classification permettant de préciser l'actuelle. L'étude expérimentale de croissance cristalline a été menée sur des analogues synthétiques de météorites : le système forstérite+nickel±silicate fondu (Fo:Ni±SiF). Cette étude a été précédée par la mise en place d'un protocole de frittage par une technique peu connue en géosciences : le Spark Plasma Sintering. Les résultats montrent des mécanismes très différents entre Fo et Ni selon la proportion et la nature de chaque phase. Ces résultats sont en accord avec les observations faites sur objets naturels et permettent de préciser l'histoire thermique des planétésimaux.

La découverte de nombreuses planètes extrasolaires depuis 1995 est une source d’inspiration pour les modèles de formation et évolution des systèmes solaires. Une fraction de ces planètes ont un demi-grand axe inférieur à 0.1 UA; une planète qui migre à proximité de son étoile subit donc d’abord un fort vent solaire et, après son entrée dans la magnétosphère stellaire, un fort champ magnétique. Nous étudions séparemment l’interaction entre ces planètes et la composante périodique et indépendente du temps du champ magnétique dipolaire stellaire. L’interaction périodique est associée à des courants induits confinés dans la planète. Nous étudions deux effets qui pourraient augmenter le moment angulaire d’une planète gaseuse géante qui migre vers son étoile: un torque de Lorentz qui transferre du moment angulaire de la rotation de l’étoile vers l’orbite de la planète et une perte de masse induite par la dissipation ohmique dans la planète qui peut donner du moment angulaire à la planète lorsque cette masse est accrétée sur l’étoile. Nous modellisons l’interaction indépendente du temps comme un modèle d’inducteur unipolaire, dans lequel le courant induit circule dans une boucle fermée formée par la planète, le flux de tube, et le pied du flux de tube dans l’atmosphère stellaire. Nous calculons de fa con cohérente la dissipation ohmique dans la planète et le pied du flux de tube ainsi que le couple de Lorentz. Nous utilisons alors ce modèle pour expliquer l’aspect enflé de certaines planètes géantes. Finalement, nous suggérons que ce modèle permettrait également d’estimer la conductivité électrique des super-Terres qui interagissent magnétiquement avec leur étoile. / The numerous and diverse extrasolar planets detected since 1995 provide much inspiration for planetary astrophysics. A fraction of these extrasolar planets orbit their host stars at semi-major axes less than 0.1 AU; a planet which has migrated toward its host star would thus first encounter a strong magnetized wind and, as it enters the stellar magnetosphere, strong magnetic fields. We model the interaction of such a close-in extrasolar planet with the dipolar magnetic field of its host star and study separately the time-dependent and independent components. The time-dependent interaction gives rise to Eddy currents confined in the planet. We investigate two effects that may transfer angular momentum to a planet approaching its host TTauri star through type II migration: a Lorentz torque that transfers angular momentum from the stellar spin to the planetary orbit and a mass loss induced by the ohmic dissipation in the planet, which may transfer angular momentum to the planet as the gas is accreted onto the star. We model the time-independent interaction with the unipolar inductor model, which allows the current induced in the planet to flow along a closed loop constituted by the planet, the flux tube, and its footprint on the stellar atmosphere. We self-consistently calculate the ohmic dissipation in the planet and the star and the associated Lorentz torque. We then suggest that the ohmic dissipation may provide the extra energy needed to explain some planets with inflated radii. Finally, we propose that the model may also be used to remotely infer the electric conductivity of the outer layers of super-Earths interacting magnetically with their host stars.

Les chondrites à enstatite partagent un réservoir commun de l’isotope de l’oxygène avec la Terre et la Lune. Cette caractéristique soulève la question d’une possible participation de ce type de météorites à la construction de la Terre. Egalement, l’étude des chondrites à enstatite permet d’apporter de nouvelles contraintes pour comprendre plus en détail l’histoire de la différenciation de petits corps planétaires soumis à des conditions réductrices. La première étude expérimentale systématique à haute pression et haute température d’une chondrite à enstatite a ainsi été mise en oeuvre, entre 1 et 25 GPa, et entre 1200°C et 2500°C, couvrant ainsi les conditions de pression et de température du manteau supérieur terrestre. La météorite qui a été choisie pour cette étude s’appelle Indarch. Il s’agit d’une chondrite à enstatite de type EH4. A 1 GPa, l’effet de la fO2 sur les relations de phases de la météorite, ainsi que sur les coefficients de partage entre métal et silicate liquide des éléments S, Si, Cr, Mn, Ni, et Mo est étudié spécifiquement. Les phases silicatées et métalliques subissent de grands changements lorsque la fO2 varie de IW-1.5 à IW-4.5. Des monosulfures contenant les éléments (Fe, Mg, Mn, Ca, Cr) sont présents aux fO2 les plus réduites. La phase métallique de nos échantillons est toujours liquide et comprend deux phases immiscibles riches en fer : l’une pauvre en S et riche en C, et l’autre riche en S et pauvre en C. La phase riche en C est également riche en Si aux fO2 les plus réduites. Les relations de phases d’Indarch ont été déterminées entre 3 et 25 GPa, et entre 1500°C et 2500°C, nous permettant de proposer le premier diagramme de phases en pression et température pour une chondrite à enstatite. La phase métallique est toujours liquide et il s’agit d’un alliage Fe-Ni-S à ces plus hautes pressions. La formation d’un noyau planétaire à basse pression (0 à 5 GPa) sous des conditions très réductrices ne peut expliquer les appauvrissements observés de S dans les manteaux silicatés alors que plusieurs wt% de Si pourront être piégés dans le noyau. En revanche, à plus haute pression, l’incorporation de S dans le noyau sera facilitée sous des conditions plus oxydantes. Finalement, notre étude permet de proposer un modèle d’évolution d’un matériau chondritique en cours d’accrétion sous des conditions rédox variables / Enstatite chondrites share a common oxygen reservoir with Earth and Moon. This suggests that these meteorites may have participated to the building of the planet Earth. Studying enstatite chondrites will bring constraints for a better understanding of the differentiation history of planetesimals under reducing conditions. Thus, this is the first systematic study at HP-HT of an enstatite chondrite between 1 and 25 GPa, and between 1200°C et 2500°C, covering the pressure and temperature conditions of the terrestrial upper mantle. The meteorite, which was chosen for this study, is named Indarch. It is an enstatite chondrite, type EH4. At 1 GPa, the effect of the fO2 on the phase relations of the meteorite, as well as on the partitioning behavior between liquid metal and liquid of S, Si, Cr, Mn, Ni, et Mo is studied. Silicate and metallic phases undergo significant changes while the fO2 varies from IW-1.5 to IW-4.5. (Fe, Mg, Mn, Ca, Cr)-bearing monosulfides are observed at the lowest fO2’s. The me-tallic phase in our samples is always liquid and comprises of two immiscible Fe-rich phases : one S-poor and C-rich, and the other S-rich and C-poor. The C-rich phase is also rich in Si at the most reduced fO2’s. Between 3 and 25 GPa, 1500°C and 2500°C, the phase relations of Indarch have been inquired and allow us to present the first P-T phase diagram for an enstatite chondrite. The metallic phase is always liquid, and at these high pressures, it is a Fe-Ni-S alloy. The observed depletions of S in silicate mantles cannot be explained by a core formation at low pressure (0 à 5 GPa) under reducing conditions, however several wt% of Si could be trapped in the core. At higher pressure, more oxidized conditions will facilitate S incorporation in the core. Final-ly, our study proposes a model of evolution of an accreting chondritic material under variable redox conditions