Ma thèse porte sur l'analyse par SXRM (Synchrotron X-Ray Microscopy) et spectroscopie µ-FTIR (micro Fourier Transformed InfraRed) des échantillons de la comète Wild 2 collectés par la mission Stardust. Les analyses SXRM ont permis de déterminer la composition élémentaire des grains de Wild 2, tout en étudiant leur ralentissement dans l'aérogel. Une étude XANES (X-Ray Absorption Near Edge Structure) au seuil du fer d'analogues des échantillons Stardust a permis de valider la méthode de collecte des grains en se basant sur l'état d'oxydation du fer. Malgré l'élévation de température subie par la particule lors de son entrée dans l'aérogel, les informations concernant la particule incidente, en particulier concernant sa minéralogie, sont préservées dans la particule finale. Des cartographies de µ-fluorescence X ont permis de déterminer la composition élémentaire des grains de Wild 2. Les abondances élémentaires, normalisées au fer, sont chondritiques pour Ca, Ti, Cr, Mn, Ni, Ge, et Se. Un enrichissement en Cu, Zn et Ga est en revanche observé et indiquerait qu'au moins une partie de la matière réfractaire de Wild 2 s'est formée tardivement, à partir d'un gaz appauvri en les éléments les plus réfractaires. Le soufre semble quant à lui sous-abondant, ce qui signe sans doute un processus de condensation incomplet, stoppé avant que la totalité du soufre ait pu se condenser. L'analyse par µ-FTIR, complétée par de la spectroscopie Raman, de grains extraits de l'aérogel montre que la matière organique de Wild 2 est dominée par la présence d'îlots de carbone aromatique reliés entre eux par des ponts aliphatiques. L'étude de la bande à 3.4 µm montre que les chaînes aliphatiques sont plus longues (ou moins ramifiées) que dans les IDPs et les grains du milieu interstellaire (MIS). La comparaison avec les observations du MIS diffus montre que la matière organique de Wild 2 n'est clairement pas interstellaire et semble plus simple que celle contenue dans les grains du MIS.

La comète C/1995 O1 (Hale-Bopp) a sans doute été l'une des comètes les plus brillantes jamais observées jusqu'à présent. Son extraordinaire activité a permis pour la première fois d'entreprendre des observations en interférométrie millimétrique avec une grande sensibilité. Lors de son passage au périhélie, les transitions J(2-1) et J(1-0) du monoxyde de carbone, ont été observées avec l'interféromètre du Plateau de Bure de l'Institut de Radio Astronomie Millimétrique (IRAM), à 230 GHz et 115 GHz respectivement. L'analyse temporelle des observations faites en parallèle en mode antenne unique a d'abord permis de mettre en évidence la présence d'un jet de CO en rotation dans l'atmosphère de la comète. L'étude des cartes interférométriques a ensuite montré que la coma était spatialement et spectralement anisotrope. Afin d'analyser au mieux ces données, nous avons développé un modèle d'atmosphère cométaire en 3 dimensions, et simulé les observations. Le modèle consiste en une coma isotrope à laquelle on ajoute un jet de forme conique qui spirale dans la coma à cause de la rotation du noyau. La comparaison des simulations aux observations s'est faite sur l'évolution temporelle des décalages spectraux, et sur celle des visibilités, qui sont les quantités physiques qu'un interféromètre mesure et qui représentent la Transformée de Fourier de la distribution de brillance du gaz sur le plan du ciel. Cette étude a confirmé la présence d'un jet spiralant dans la coma. De plus, nous avons pu déterminer les paramètres du jet tels que la position, l'ouverture et l'intensité, qui interprètent au mieux les observations. La question de l'origine de CO dans la coma est également abordée en dernière partie. Nos observations suggèrent que cette molécule proviendrait pour moitié du noyau, et pour moitié d'une source étendue.

La sonde spatiale européenne Rosetta, après un voyage de dix années, a rejoint le 6 août 2014 son objet d’étude, la comète 67P/Churyumov-Gerasimenko (67P/C-G). Afin de l’étudier de manière intensive durant deux ans, un total de 21 instruments était embarqué sur l’orbiteur Rosetta et l’atterrisseur Philae. Le spectromètre de masse d’ions secondaires à temps de vol, COSIMA (COmetary Secondary Ions Mass Analyzer), était l’un des instruments de l’orbiteur et a été conçu pour analyser in situ la composition chimique des particules solides éjectées de la comète 67P/C-G. L’objectif de cette thèse est de caractériser la composante organique réfractaire contenue dans les poussières cométaires, à l’aide de l’instrument COSIMA. Dans le cadre de ces travaux, j’ai mis au point au point et appliqué une méthodologie pour analyser les spectres de masse cométaires, plus particulièrement dans le mode positif de l’instrument. A l’aide de cette méthodologie, cinq ions organiques d’origine cométaire ont été détectés et identifiés : C+ (m/z = 12,00), CH+ (m/z = 13,01), CH2+ (m/z = 14,02), CH3+ (m/z = 15,02) et C2H3+ (m/z = 27,02). La caractérisation de cette composante organique a été effectuée à l’aide de spectres de masse de calibration. Les composés de référence utilisés dans ces travaux de thèse incluent des molécules organiques pures et des analogues de la matière organique cométaire, tels que des échantillons naturels (des météorites carbonées, une micrométéorite ultracarbonée, de la matière organique insoluble extraite de météorites carbonées) et un échantillon synthétisé en laboratoire. La matière organique insoluble extraite des chondrites carbonées est, à ce jour, le meilleur analogue à la matière organique réfractaire contenue dans les particules de 67P/C-G. Ainsi, la matière organique cométaire serait de haut poids moléculaire et le carbone lié dans de grandes structures macromoléculaires. Le carbone est également l’un des éléments le plus abondant dans les particules avec un rapport C⁄Si = 5,5 (+1,4/-1,2). La comète 67P/C-G figure ainsi parmi les corps les plus riches en carbone du système solaire. Enfin, un composé spécifique a été recherché, le polyoxyméthylène. Cependant, les indicateurs développés et appliqués aux données cométaires ne permettent pas de conclure quant à sa présence dans les particules analysées par COSIMA / After a ten-year journey, the European spacecraft Rosetta arrived at comet 67P/Churyumov-Gersasimenko (67P/C-G) on August 6, 2014. In order to conduct intensive research for two years, a total of 21 instruments were on board the Rosetta orbiter and the Philae lander. The time-of-flight secondary ions mass spectrometer, COSIMA (COmetary Secondary Ions Mass Analyzer), was one of the orbiter instruments and was designed for in situ analysis of the chemical composition of cometary particles ejected from the comet 67P/C-G. This thesis aims to characterize the refractory organic component of the cometary dust, with the COSIMA instrument. As part of this work, I have developed and applied a methodology to analyze the cometary mass spectra, more specifically in the positive mode of the instrument. Using this methodology, five organic ions of cometary origin were detected and identified: C+ (m/z = 12.00), CH+ (m/z = 13.01), CH2+ (m/z = 14.02), CH3+ (m/z = 15.02) and C2H3+ (m/z = 27.02). The characterization of this organic component has been carried out with calibration mass spectra. The reference compounds used during this thesis include pure organic molecules and cometary organic matter analogs, such as natural samples (carbonaceous chondrites, ultracarbonaceous micrometeorite, insoluble organic matter extracted from carbonaceous chondrites) and one sample synthetized in the laboratory. The best analogue found so far to the refractory component of 67P/C-G particles is the insoluble organic matter extracted from carbonaceous chondrites. The cometary organic matter would be of high-molecular-weight and the carbon bounded in very large macromolecular compounds. Carbon is also one of the most abundant element in the dust particles with an elemental ratio of C⁄Si = 5.5 (+1.4/-1.2). Comet 67P/C-G is among the most carbon-rich bodies of the solar system. Finally, a specific compound was sought, the polyoxymethylene. However, indicators developed and applied to the cometary data do not allow to conclude on the presence of polyoxymethylene in the particles analyzed by COSIMA

La majeure partie de mon travail de thèse a porté sur l’étude de la composition chimique de la surface d’Europe. Afin d’apporter une plus-value par rapport aux résultats de l’instrument NIMS à bord de la sonde Galileo qui orbita dans le système jovien de 1995 à 2003, une campagne d’observations depuis le sol a été menée avec le spectromètre imageur infra-rouge SINFONI au VLT. Cinq observations en optique adaptative possédant une résolution spatiale d’environ 160 km et une résolution spectrale R=1500 dans le proche infra-rouge furent acquises. Une procédure complexe de réduction des données a été mise en place afin de construire un cube hyperspectral global en réflectance de la surface. La modélisation linéaire de chacun des spectres du cube a permis d’aboutir aux premières cartes d’abondances absolues jamais obtenues pour la surface d’Europe. Ces cartes confirment la présence des deux espèces majoritaires, la glace d’eau et l’acide sulfurique hydraté. La distribution de l’acide sulfurique est centrée sur l’hémisphère orbital arrière qui est préférentiellement impacté par un flux d’ions de soufre originaires du tore de plasma produit par l’activité volcanique d’Io. Cependant, deux résultats inattendus ont été obtenus. Le premier concerne la glace d’eau, dont la forme cristalline est près de deux fois plus abondante que la forme amorphe selon les résultats de la modélisation. Ce résultat, surprenant compte tenu du taux d’irradiation très élevé auquel la surface est soumise, pourrait s’expliquer par l’existence d’un fort gradient de cristallinité au sein de la couche de glace, mais aussi par l’existence d’une activité endogène relativement soutenue qui se traduit visuellement par une surface peu cratérisée, donc jeune. La corrélation entre la distribution des grains cristallins et la géomorphologie semble accréditer la seconde hypothèse. Le second résultat concerne la détection de sels chlorés à partir de la modélisation des spectres hautement résolus de SINFONI, et non de sulfates, remettant en cause les détections marginales annoncées par les observations de l’instrument NIMS/Galileo. La distribution des sels chlorés, tout comme celle de la glace d’eau cristalline, est corrélée à la géomorphologie, ce qui confirme le rôle important des apports endogènes. Des processus tectoniques et cryovolcaniques mis en évidence récemment pourraient être à l’origine de cette distribution. L’autre versant de ma thèse a été consacré aux caractéristiques physiques des grains cométaires de 67P/C-G. L’instrument COSIMA embarqué sur l’orbiter de la sonde Rosetta a permis la collecte, l'imagerie et l'analyse chimique élémentaire des grains présents dans l’environnement proche de 67P/C-G. Une approche automatisée de la détection des grains à partir des images prises par la caméra « COSISCOPE » a été mise en place et a permis de détecter environ 35000 grains ayant une surface de plus de 100 µm2 entre août 2014 et mai 2016. La résolution de 13.7 µm/pixel a rendu possible la caractérisation en détail de la forme et de la structure des grains, et le nombre important de détections a permis d’obtenir des statistiques robustes concernant la distribution en taille et l’évolution de celle-ci au cours du temps. Deux grandes familles de grains ont été identifiées : les grains compacts, qui ne représentent qu’une faible minorité des grains et qui ont été majoritairement collectés en début de mission, et les agrégats, qui ont une structure très poreuse similaire à celle des IDPs et des micrométéorites collectées en Antarctique. La distribution en taille obtenue suit une loi de puissance intégrale en r-2.66. La comparaison avec des lois obtenues à des échelles différentes par d’autres instruments met en évidence des différences qui peuvent être interprétées par des mécanismes d’éjection dépendant de la taille associés à un biais du processus de collecte en orbite. / The major part of my work focused on the study of the chemical composition of Europa’s surface. In order to provide additional insights in comparison to the results of the NIMS instrument onboard the Galileo spacecraft that orbited in the Jovian system from 1995 to 2003, a ground-based observations campaign was conducted with the infrared imaging spectrometer SINFONI on the VLT. Several observations using adaptive optics with a spatial resolution of about 160 km and a spectral resolution R = 1500 in the near-infrared were acquired and then combined. A specific data reduction pipeline was developed to build a global hyperspectral cube in surface reflectance. The linear modeling of each spectra of this cube leads to the first global abundance maps ever obtained for the surface of Europa. These maps confirm the presence of the two major species, namely water ice and hydrated sulfuric acid. The distribution of the hydrated sulfuric acid is centered on the trailing orbital hemisphere preferentially affected by a sulfur ion flux coming from the plasma torus produced by Io volcanic activity. Two surprising results were obtained. The first one concerns water ice, which crystalline form is about twice more abundant than the amorphous form according to the modeling results. This result, unexpected given the very high radiation rate on the surface, could be explained by a strong crystallinity gradient through the ice slab. However, it could also point out an endogenous activity possibly strong as first suggested by its poorly well-known cratered surface. The correlation between the crystalline grains distribution and the geomorphology seems in favor to the second hypothesis. The second result is related to the detection of chlorinated salts from the modeling of highly resolved spectra from SINFONI. Sulfates, first reported by several analyses of NIMS observations are marginal in the modeled composition, hence challenging their presence on the surface of Europa. The chloride distribution, as well as the one of the crystalline water ice, is correlated to geomorphology, potentially confirming significant endogenous contributions as the result of tectonic and cryovolcanic processes recently highlighted. The second part of my PhD was dedicated to the physical characteristics of the 67P/C-G’s cometary grains. The COSIMA instrument onboard the Rosetta orbiter allowed the collection, imaging and elemental chemical analysis of grains present in the immediate environment of 67P/C-G. An automated approach of the grains detection based on images taken by the camera "COSISCOPE" was set up and able to detect about 35.000 grains having an area of more than 100 µm² between August 2014 and May 2016. The resolution of 13.7 µm/pixel allowed to perform a detailed characterization of the shape and the structure of the grains, and the large number of detections permitted to obtain significant statistics on the size distribution and its evolution over the time. Two large families of grains have been identified: the compact grains, which represent only a small minority of grains mostly collected at the beginning of the mission, and aggregates, which have a very porous structure similar to those of IDPs and micrometeorites collected in Antarctica. The size distribution obtained follows an integrated power law in r-2.66. The comparison with the laws obtained at different scales by other instruments highlights differences that can be interpreted by ejection mechanisms depending on the size associated with a selection bias during the collection process in orbit.

La composition chimique des comètes revêt un intérêt du point de vue de la chimie prébiotique, mais également de la formation et de l'évolution du système solaire. Cette thèse présente la première étape d'un programme de longue durée dont l'objectif final est la détermination de la composition chimique du noyau cométaire.<br />Parmi les différentes méthodes employées jusqu'à aujourd'hui, l'analyse in situ est la seule capable de nous procurer des informations directes sur le noyau cométaire. C'est cette approche que nous avons choisi d'employer en contribuant à l'expérience COmetary Sampling And Composition (COSAC). Cette dernière fait partie des expériences embarquées dans la sonde Rosetta dédiée à l'analyse d'une comète et de son environnement. Compte tenu du nombre important de composés probablement présents dans le noyau cométaire et de la robustesse de cette technique analytique, la chromatographie en phase gazeuse (CPG) apparaît comme la plus appropriée pour l'identification et la quantification des composés présents dans le noyau cométaire. Nous avons donc développé un sous-système chromatographique qui fera partie intégrante de l'expérience COSAC.<br />La principale tâche de ce travail a été de concevoir la partie séparative de ce système, constituée de colonnes chromatographiques connectées en parallèle. Cette partie a été développée en vue de la séparation et de l'identification d'une large gamme de composés d'intérêt cométaire initialement identifiés, allant des composés les plus légers (gaz nobles) jusqu'à des espèces organiques de poids moléculaire élevé (HAP). A cette fin, un travail expérimental a été mené pour comparer les propriétés analytiques (sélectivité, efficacité) des nombreuses colonnes chromatographiques candidates, dans les conditions de température in situ (isotherme comprise entre 30°C et 60°C). Cette étude, associée à la prise en compte de contraintes opératoires (présence d'eau, faible consommation de gaz vecteur, robustesse des colonnes...), a permis d'aboutir à la sélection et à l'optimisation des caractéristiques de 5 colonnes chromatographiques différentes. Cette combinaison correspond au nombre minimal de colonnes permettant de répondre aux objectifs du système chromatographique.<br />Une fois les colonnes de l'expérience sélectionnées, elles ont été soumises aux différentes contraintes liées à l'instrumentation spatiale (vibrations, cycles de température) et à l'environnement spatial (pression réduite, radiations) pour tester leur robustesse. Les résultats montrent que les performances de ces colonnes ne sont affectées ni par ces tests, ni par la présence d'eau dans l'échantillon, prouvant ainsi leur capacité à être utilisées dans le système chromatographique.<br />Ensuite, les performances réelles de ce système ont été évaluées à l'aide d'un outil de laboratoire reproduisant l'expérience COSAC (colonnes, détecteurs) et les conditions opératoires in situ (température, pression externe). Cette étude a permis de montrer que les propriétés analytiques du système ne sont pas significativement altérées comparativement à celles observées à pression atmosphérique en sortie de colonne, et que le gain de vitesse entraîné par la présence d'une pression réduite était bénéfique par la réduction du temps d'analyse. De plus, la pression en tête de colonne optimale de l'expérience a pu être fixée (150 kPa). Nous avons également montré que l'expérience devrait permettre d'identifier environ 75% des composés initialement ciblés.<br />Enfin, la sensibilité du système (colonne+détecteur) a été évaluée en mesurant la quantité minimale détectable d'un composé présent dans un mélange analysé. Elle est comprise entre 10-11 mol et 10-12 mol, ce qui correspond à un rapport de volume de 1 ppm dans le cas le plus favorable où il y a suffisamment d'échantillon gazeux pour remplir complètement la boucle d'échantillonnage. Ce dernier résultat permet de conclure que le système développé permet l'analyse de composés traces présents dans le noyau cométaire et que sa sensibilité est plus importante que celle des observations spectroscopiques de la coma (environ 0,1%).<br />Au delà du travail expérimental de mise en œuvre de ce système chromatographique, nous avons pu également montrer que le couplage d'une des colonnes avec les techniques préparatives des échantillons de COSAC devrait permettre d'analyser des espèces chimiques qui ne pouvaient pas l'être par CPG directe (acides aminés), ou de mettre en évidence des composés réfractaires à partir de leurs produits de dégradation thermique (poly-HCN). Enfin, nous présentons les premiers travaux expérimentaux et théoriques développés en vue de l'interprétation des futures données collectées par l'instrument de vol.

Lors de leur formation il y a 4,6 milliards d’années, les comètes ont intégré des matériaux transformés selon les conditions physiques et dynamiques du disque d’accrétion mais aussi une part de composés issus du milieu interstellaire. Parce qu’elles ont préservé leurs propriétés, étudier les comètes permet de mieux comprendre les conditions régnant dans le disque proto-planétaire entourant le jeune Soleil à une époque qui nous est inaccessible. Cela permet également de comprendre les différentes populations de comètes, leur processus de formation, leurs évolutions dynamiques, leur activité lorsqu’elles s’approchent du Soleil ou encore leur structure.La sonde européenne Rosetta a accompagné la comète 67P/Churyumov-Gerasimenko pendant deux ans. À son bord, une dizaine d’instruments ont permis d’étudier l’évolution de son activité, les gaz, la morphologie de surface ou les poussières parmi d’autres objectifs. VIRTIS est le spectromètre visible-infrarouge de Rosetta. Sa composante d’imagerie spectrale, VIRTIS-M, permet d’avoir accès à la dimension spatiale tout en bénéficiant d’une résolution spectrale modérée tandis que VIRTIS-H est un spectromètre ponctuel bénéficiant d’une plus grande résolution spectrale. Mon travail a reposé sur le traitement et l’analyse des données de ces instruments et se découpe en deux parties concentrées sur l’étude de la surface du noyau.La première est une analyse des paramètres spectraux et photométriques : albédo, pente spectrale, direction principale de la diffusion de la lumière par les particules, rugosité macroscopique. Dans une étude globale, j’ai mis en évidence les variations spatiales de certains de ces paramètres ; comparé les résultats issus de différents modèles ainsi que des deux instruments. J’ai ensuite déterminé localement ces paramètres, soulignant des différences selon le type de terrains ciblé. Ces études permettent de mieux comprendre les mécanismes liés à l’activité (dépôt/soulèvement de poussières, altération spatiale, variations de la teneur en glace) ou aux variations des propriétés de la surface (composition, texture).Le deuxième enjeu de cette thèse était de reproduire en laboratoire les observations réalisées par VIRTIS, et ce afin d’apporter des contraintes sur la composition et la texture de la surface. En collaboration avec l’IPAG de Grenoble j’ai donc mené des expériences consistant à produire des poudres très fines constituées de matériaux similaires à ceux que l’on suspecte d’être présents sur le noyau de 67P : matière organique (imitée par un charbon), silicates (olivine) et sulfures de fer (pyrite et pyrrhotite) sont ainsi tous observés dans les comètes ou leurs analogues. Je les ai ici broyés à des échelles micrométriques à nanométriques puis j’ai réalisé des mesures en réflectance dans la même gamme spectrale que VIRTIS. J’ai pu ainsi étudier les effets provoqués par les variations de la taille des grains, de la composition ou de la texture du mélange, mettant en avant des combinaisons reproduisant le spectre moyen de la comète. De manière générale, cette étude permet de mieux comprendre l’influence de matériaux rarement étudiés comme les sulfures de fer ainsi que le comportement spectral de poudres dont la taille des grains atteint un ordre de grandeur proche de celle de la longueur d’onde, ce qui est primordial dans l’étude des surfaces cométaires. / During the Solar System formation, 4.6 billion years ago, comets accreted materials which have been transformed according to the physical and dynamical conditions of the accretion disk but also a part of components coming from the interstellar medium. By preserving a primordial composition, the study of comets allows us to better understand the conditions of the proto-planetary disk surrounding the young Sun of an epoch which is now inaccessible. Moreover, it consists also to understand the various comets populations, their formation process, dynamical and activity evolution as they inward and outward the Sun or their structure.The ESA/Rosetta mission followed the comet 67P/Churyumov-Gerasimenko during two years. A ten of instruments has been dedicated to the study of the evolution of its activity, gas release, surface morphology, dust and other objectives. VIRTIS is a visible/infrared spectrometer instrument. It is composed of VIRTIS-M, an imaging spectrometer which gives access to spatial information with moderate spectral resolution and VIRTIS-H, a point spectrometer with a higher spectral resolution. This study is based on the data analysis of VIRTIS instruments and is divided into two parts focused on the study of the nucleus surface.The first part is an analysis of the spectral and photometric parameters: albedo, spectral slope, the main direction of the light diffusion by particles, macroscopic roughness. In a global study, I highlighted the spatial variations of albedo and spectral slope; compared results derived from different models as well as from both instruments. Then, I determined these parameters locally, revealing differences between two types of terrains. This approach allows to better understand the mechanisms linked to the activity (dust drop-off/uprising, space weathering, ice content variation) and also to the surface properties (composition, texture).The second goal of the thesis is to reproduce in the laboratory the observations realized by VIRTIS to give constraints on the composition and texture of the surface. In collaboration with IPAG (Grenoble, France) I led experiments consisting of the production of very fine powders made of materials which look like those we suspect to be present on the nucleus of 67P: organic matter (mimicked by a coal), silicates (olivine) and iron sulfides (pyrite and pyrrhotite) are all observed on comets or their analogues. I ground them to micrometric to nanometric scales and I realized reflectance measurements in the same spectral range than VIRTIS. Then, I have been able to observe effects caused by the variations of the grain size, composition or texture of the mixture and to highlight combinations reproducing the mean comet VIRTIS spectrum. Finally, this work enables us understanding the influence of material poorly studied such as iron sulfides as well as the spectral behaviour of powders composed of grain sizes reaching an order of magnitude close to the wavelengths, which is essential in the study of cometary surfaces.

Cette thèse constitue un travail novateur dans l’analyse in situ multi disciplinaire de la surface du noyau d’une comète réalisé à l’aide du “Cometary Sampling and Composition Experiment” (COSAC). COSAC est un chromatographe en phase gazeuse et un spectromètre de masse embarqué à bord du module d’atterrissage Philae de l’Agence Spatiale Européenne dans le cadre de la mission vers la comète 67P/Tchourioumov-Guérassimenko. La thèse aborde de façon globale trois campagnes expérimentales et analytiques toutes dirigées vers les objectifs de COSAC après son futur atterrissage sur 67P. La quatrième partie, qui est un travail géologique vise à identifier le cratère de Lonar comme analogue martien. La première des expériences mentionnée ci-dessus implique l’irradiation de valine racémique à l’aide de lumière polarisé circulairement (cpl) générée par synchrotron. Nous avons démontré pour la première fois qu’en changeant l’énergie de la cpl pour une hélicité donnée de 6,19 eV à 6,74 eV, le signe de la valeur de l’excès énantiomérique des acides aminés change (dans ce cas la valine). Dans une seconde partie, nous avons démontré pour la première fois la présence de carbone graphitique dans le tholin, un solide complexe et organique synthétisé à partir de l’irradiation de décharge de plasma d’un mélange de N2:CH4=9:1. Nous expliquons que la présence possible de graphite enrichi de matière organique de type tholin sur la surface de noyaux cométaires pourrait bien contribuer à leur faible albédo géométrique typique. / This cumulative thesis forms a multi-disciplinary groundwork for the pioneering in situ organic analyses of a comet nuclei surface to be performed by the Cometary Sampling and Composition Experiment (COSAC). COSAC is a Gas Chromatograph-Mass Spectrometer on board the Philae Lander probe of European Space Agency’s Rosetta mission to comet 67P/Churyumov-Gerasimenko. The thesis holistically addresses three myriad experimental and analytical campaigns all directing to the objectives of COSAC subsequent to its landing on 67P. The fourth original geological fieldwork directs to the identification of Lonar Crater as a Martian analogue. Our first of the above mentioned experiments involved irradiation of racemic valine with synchrotron-generated circular polarized light (cpl). We made a novel demonstration that changing the energy of a certain helicity of cpl from 6.19 eV to 6.74 eV switches the sign of the enantiomeric excess value of amino acids – in this case valine. The second experiment for the first time demonstrated the presence of graphitic carbon in tholin, a complex organic solid synthesized from plasma discharge irradiation of a mixture N2:CH4=9:1. We explain that the possible presence of graphite enriched tholin-like organic material on the surface of comet nuclei could well be contributing to their typical low geometric albedos. The third experiment was directed at performance evaluation of COSAC-MS carried out with its Flight Spare Model located at the Max Planck Institute for Solar System Research.

L'étoile beta Pictoris est à l'heure actuelle la seule étoile de la séquence principale autour de laquelle un disque de poussières a été visualise (1984). L'observation de son spectre visible et ultra-violet a révélé la présence de raies en absorption dues à la partie gazeuse du disque. L'étude de cette partie gazeuse a révélé que les raies observées variaient dans le temps: parfois, des composantes additionnelles en absorption, décalées par effet doppler vers les grandes longueurs d'onde y apparaissent. Ces phénomènes sporadiques ont été reliées à la chute vers l'étoile de petit corps de type comètaire vaporisant des éléments métalliques. La dynamique d'ions métalliques évaporés d'un corps parent a été ensuite etudiée, et une modélisation numerique du comportement d'un nuage de ces ions a été entreprise. La simulation a montré que les observations étaient reproduites par le modèle. De plus, la différence de comportement entre les raies visibles et uv a été expliquée. Des contraintes déduites de la simulation ont alors permis de formuler une hypothèse selon laquelle une planète située dans le disque pourrait par perturbations être responsable de la chute d'objets vers l'étoile. Un modèle fondé sur cette hypothèse a été ensuite développé. La simulation qui en a résulté a permis de montrer que si l'orbite de la planète est suffisamment elliptique, des perturbations sont capables d'envoyer un grand nombre de petits objets vers l'étoile. Il est ressorti de cette étude que l'évolution globale, constatée sur quelques années, des raies de beta Pictoris apparaissait comme une conséquence naturelle du modèle. En poursuivant l'étude théorique de ce disque, nous saurons peut-être s'il constitue le premier exemple de système planétaire découvert en dehors du système solaire

Capture-évolution-éjection de particules par des systèmes binaires (étoile-planète, étoile binaire, étoile-trou noir supermassif, trou noir binaire, ...). Dans une première partie, en utilisant une généralisation de l'application de Kepler, nous décrivons, au travers du cas de 1P/Halley, la dynamique chaotique des comètes dans le système solaire. Le système binaire, alors considéré, est composé du Soleil et de Jupiter. L'application symplectique utilisée permet de rendre compte des différentes caractéristiques de la dynamique : trajectoires chaotiques, îlots invariants de KAM associés aux résonances avec le mouvement orbital de Jupiter,... Nous avons déterminé de façon exacte et semi-analytique l'énergie échangée (fonction kick) entre le système solaire et la comète de Halley à chaque passage au périhélie. Cette fonction kick est la somme des contributions des problèmes à trois corps Soleil-planète-comète associés aux 8 planètes du système solaire. Nous avons montré que chacune de ces contributions peut être décomposée en un terme keplerien associé au potentiel gravitationnel de la planète et un terme dipolaire dû au mouvement du soleil autour du centre de masse du système solaire. Dans une deuxième partie, nous avons utilisé la généralisation de l'application de Kepler pour étudier la capture de particules de matière noire au sein des systèmes binaires. La section efficace de capture a été calculée et montre que la capture à longue portée est bien plus efficace que la capture due aux rencontres proches. Nous montrons également l'importance de la vitesse de rotation du système binaire dans le processus de capture. Notamment, un système binaire en rotation ultrarapide accumulera en son sein une densité de matière jusqu'à 10^4 fois celle du flot de matière le traversant. Dans la dernière partie, en intégrant les équations du mouvement du problème à trois corps restreint plan, nous avons étudié l'éjection des particules capturées par un système binaire. Dans le cas d'un système binaire dont les deux corps sont de masses comparables, alors que la majorité des particules sont éjectées immédiatement, nous montrons, sur les sections de Poincaré, que la trace des particules restant indéfiniment aux abords du système binaire forme une structure fractale caractéristique d'un répulseur étrange associé à un système chaotique ouvert. Cette structure fractale, également présente dans l'espace réel, a une forme de spirale à deux bras partageant des similitudes avec les structures spiralées des galaxies comme la nôtre. / This work is devoted to the study of the restricted 3-body problem and particularly to the capture-evolution-ejection process of particles by binary systems (star-planet, binary star, star-supermassive black hole, binary black hole, ...). First, using a generalized Kepler map, we describe, through the case of 1P/Halley, the chaotic dynamics of comets in the Solar System. The here considered binary system is the couple Sun-Jupiter. The symplectic application we use allows us to depict the main characteristics of the dynamics: chaotic trajectories, KAM islands associated to resonances with Jupiter orbital motion, ... We determine exactly and semi-analytically the exchange of energy (kick function) between the Solar System and 1P/Halley at its passage at perihelion. This kick function is the sum of the contributions of 3-body problems Sun-planet-comet associated to the eight planets. We show that each one of these contributions can be split in a keplerian term associated to the planet gravitational potential and a dipolar term due to the Sun movement around Solar System center of mass. We also use the generalized Kepler map to study the capture of dark matter particles by binary systems. We derive the capture cross section showing that long range capture is far more efficient than close encounter induced capture. We show the importance of the rotation velocity of the binary in the capture process. Particularly, a binary system with an ultrafast rotation velocity accumulates a density of captured matter up to 10^4 times the density of the incoming flow of matter. Finally, by direct integration of the planar restricted 3-body problem equations of motion, we study the ejection of particles initially captured by a binary system. In the case of a binary with two components of comparable masses, although almost all the particles are immediately ejected, we show, on Poincaré sections, that the trace of remaining particles in the vicinity of the binary form a fractal structure associated to a strange repeller associated to chaotic open systems. This fractal structure, also present in real space, has a shape of two arm spiral sharing similarities with spiral structures observed in galaxies such as the Milky Way.

Les particules cométaires sont des témoins de l’évolution du système solaire, dont les caractéristiques peuvent être estimées à partir de la lumière qu’elles diffusent et émettent.<p>Je montre qu’un modèle de diffusion lumineuse par un nuage d’agrégats fractals et de sphéroïdes permet d’interpréter, en fonction de la distribution en taille et des matériaux constitutifs, des observations polarimétriques en angle de phase et longueur d'onde. Le modèle est en particulier appliqué à la comète Hale-Bopp, et au milieu interplanétaire en modélisant aussi les observations thermiques.<p>Je développe des outils de diffusion lumineuse (numériques et expérimentaux) pour analyser des agrégats analogues aux particules protoplanétaires qui seront formés avec ICAPS à bord de l’ISS. De façon complémentaire, une simulation expérimentale en vol parabolique avec PROGRA2 me permet de déterminer les propriétés physiques de microparticules d’intérêt astrophysique par des mesures polarimétriques.<p> / Doctorat en sciences appliquées / info:eu-repo/semantics/nonPublished