This thesis considers both the mass of dust released by short period comets and the size distribution of a decaying cometary population. The secular variation in the H 10 absolute magnitude of comets 2P /Encke, 4P /Paye, 6P /d'Arrest, 7P /Pons-Winnecke and lOP/Tempel 2 is investigated and it is concluded that there is more information in the H 10 data than can be found from a linear regression analysis. A computer program is presented that takes the absolute magnitude of a comet, H 10, the orbital eccentricity and the perihelion distance, and calculates the mass of dust released by the comet per apparition. This model is applied to the H1O data set for the above comets, and it is concluded that 4P /Paye has been a prolific contributor of dust to the inner Solar System, releasing an average of (21.6 ± D.5) x 1011 g per apparition during the last 19 recorded apparitions. This is mainly attributed to an unusual period of activity pre-1910. A simple model of cometary decay, whereby individual comets lose a constant depth from the cometary nucleus at each apparition is presented. This is used to model the decay of a model population of short period comets. The population is examined at regular time intervals and the mass distribution index is calculated. This index indicates how mass is distributed within the cometary population, and is found to decrease, non-linearly, as comets in the population decay. The total mass of dust released by a model population of comets, each having only one perihelion passage, is also calculated. The list of cometary orbits for this population is kept fixed and the cometary H1O values are randomly mixed up and reassigned back to the list of orbits. In this way new populations of short period comets are created. It is concluded that the current population of short period comets releases an unusually small total mass of dust, and that this is due to the average value of H10 decreasing as a function of perihelion distance.

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The Wide-field Infrared Survey Explorer (WISE) mission surveyed the sky in four infrared wavelength bands (3.4, 4.6, 12 and 22 μm) between January 2010 and February 2011. During the mission, WISE serendipitously observed 160 comets, including 21 newly discovered objects. About 89 of the comets observed by WISE displayed a significant dust tail in the 12 and 22 μm (thermal emission) bands, showing a wide range of activity levels and dust morphology. Since the observed objects are a mix of both long-period comets (LPCs) and short-period comets (SPCs), differences in their activity can be used to better understand the thermal evolution that each of these populations has undergone. For the comets that displayed a significant dust tail, we have estimated the sizes and ages of the particles using dynamical models based on the Finson-Probstein method [Finson and Probstein, 1968]. For a selection of 40 comets, we have then compared these models to the data using a novel tail-fitting method that allows the best-fit model to be chosen analytically rather than subjectively. For comets that were observed multiple times by WISE, the particle properties were estimated separately, and then compared. We find that the dust tails of both LPCs and SPCs are primarily comprised of ~mm-cm sized particles, which were the result of emission that occurred several months to several years prior to the observations. The LPCs nearly all have strong emission close to the comet*s perihelion distance, and the SPCs mostly have strong emission close to perihelion, but some have strong emission well before perihelion.

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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.

Les comètes présentent un grand intérêt à la fois pour la planétologie et pour l'exobiologie. En effet, ces corps primitifs du fait de leur petite taille et de leurs réservoirs éloignés du soleil, n'ont pas ou que très peu évolué depuis leur formation. L'étude des comètes peut donc permettre de mieux comprendre les processus physico-chimiques ayant eu lieu lors de la formation du Système Solaire. D'autre part, les analyses menées en 1986 dans l'environnement de la comète 1P/Halley ont montré l'existence, dans les grains cométaires d'une phase solide riche en composés organiques. Ainsi, les comètes ont vraisemblablement pu apporter sur la Terre primitive des composés organiques, et favoriser ainsi l'apparition de la Vie. Néanmoins la nature de cette matière organique reste encore très largement méconnue. Ces composés organiques ont vraisemblablement été formés à partir des glaces observées dans le milieu interstellaire et qui sont soumises à différentes sources d'énergie. Les objectifs du travail expérimental mené au cours de cette thèse ont donc été de caractériser les différentes étapes conduisant à la synthèse des composés organiques complexes contenus dans les comètes à partir des glaces interstellaires. En particulier, j'ai étudié i.) la quantification des glaces présentes autour des étoiles naissantes, ii.) les processus de photolyse auxquels elles sont soumises et iii.) la nature des composés organiques qui peuvent être produits durant ces processus. Les observations infrarouges ont permis de détecter de nombreuses molécules en phase condensée autour des étoiles naissantes. Afin de préciser l'abondance de ces molécules, j'ai mesuré les sections efficaces intégrées, aussi appelées forces de bandes, pour huit d'entre elles (H2O, CO, CO2, CH3OH, NH3, CH4, HCOOH and H2CO). En effet, ce paramètre spectroscopique est nécessaire à la quantification des molécules et certaines des valeurs présentes dans la littérature affichaient une grande dispersion. Les nouvelles mesures que j'ai effectuées, basées sur une revue bibliographique exhaustive des masses volumiques et des indices optiques dans le visible, confirment pour certaines molécules (CO2, CO, CH4, NH3) les valeurs utilisées pour déterminer leur abondance. Néanmoins, j'ai pu montrer que les abondances d'autres molécules dans les milieux astrophysiques restent encore très incertaines, en particulier pour CH3OH, H2CO et HCOOH. En phase condensée, la dépendance en longueur d'onde des processus de photolyse est encore très largement négligée. Grâce à l'utilisation de deux lampes VUV, dont l'irradiance spectrale a été préalablement caractérisée, j'ai pu mesurer, dans deux gammes de longueurs d'onde différentes, les rendements quantiques de production de C2H6 et de CO lors de la photolyse de CH4 et CO2. J'ai ainsi pu confirmer que les rendements quantiques dépendent bien de la longueur d'onde de photolyse. L'extrapolation des résultats expérimentaux acquis en laboratoire aux différents milieux astrophysiques nécessite donc une bonne connaissance des spectres VUV mis en jeu. L'objectif final des simulations expérimentales est de prédire la nature de la matière organique cométaire en reproduisant au mieux la chimie pouvant se dérouler dans les glaces interstellaires. Or, le méthane a été détecté en phase condensée dans le milieu interstellaire, mais son influence sur la chimie se déroulant dans des mélanges de glaces contenant les principales molécules interstellaires a été très peu étudiée. J'ai donc soumis un mélange H2O : CH3OH : NH3 : CH4 (10 : 1 : 1 : 2) à une photolyse de 26 heures puis à un chauffage. L'influence du méthane se manifeste par la présence de C2H6 après la photolyse à basse température. Lors du chauffage, le méthane et ses photoproduits semblent se sublimer. Avec ou sans CH4, la chimie à des températures supérieures à 200 K apparaît très similaire. J'en conclu donc que la présence de méthane ne modifie pas notablement la chimie des glaces lors des simulations / Comets are very interesting for planetology as well as for exobiology. On one hand, held in the furthest and coldest regions of our solar system and due to their small size, they might not have been altered since their formation. The study of comets should allow a better understanding of the physic-chemical processes occurring during the Solar system formation. On the other hand, the analysis performed in 1986 on the environment of 1P/Halley showed the presence, in the cometary dust, of organic matter. Thus, comets might have brought organics on primitive Earth which might have contributed to the apparition of life. Nevertheless, the nature of these organics is still not well-known. Cometary organics might have been synthesized from the ices detected in interstellar medium which are submitted to different energetic processes. The aims of the experimental work performed during this thesis are to characterize the different steps of the synthesis of complex organic matter contained in comets from the interstellar ices. I studied : i) The quantification of interstellar ices detected around young stellar objects ii) The characterization of the photolysis process to which ices are submitted and iii.) The nature of the organic compounds produced during these processes. Once mixtures and energetic processes are under control, we can make cometary organic analogs. Infrared observations have revealed the presence of several molecules in the solid phase around young stellar objects. To precise their molecular abundances, I have measured the integrated cross sections, also called band strengths, of 8 molecules (H2O, CO, CO2, CH3OH, NH3, CH4, HCOOH and H2CO). Indeed, this spectroscopic parameter is required for the quantification of these molecules and some values presented in literature are scattered. The new measurements performed during this thesis, which are based on a bibliographic review of densities and optical indices in the visible range, confirm the values already used for the quantification of CO2, CO, CH4, NH3. But this work also underlines that abundances of CH3OH, H2CO and HCOOH in interstellar medium are still uncertain. In the solid phase, wavelength dependence of photolysis is often neglected. Thanks to two VUV lamps, for which the spectral irradiances have been characterized, I measured the production quantum yield, in two wavelength ranges, of C2H6 and CO, during photolysis of CH4 and CO2 respectively. Thanks to this study, I point out that quantum yield depends on the photolysis wavelength. Thus, the extrapolation of the experimental results to different astrophysical medium implies a good knowledge of VUV spectra. The final objective of experimental simulations is to foresee the nature of cometary organic matter by reproducing, as realistic as possible, the chemistry occurring in interstellar ices. Methane has been detected in the solid phase in the interstellar medium, but few studies implying methane have been undertaken. Thus, I have photolyzed a mixture composed of H2O: CH3OH: NH3: CH4 (10:1:1:2) during 26 hours at low temperature and then I applied a heating process. The influence of initial methane in the ice chemistry is demonstrated by the presence of its main photoproducts, C2H6, after photolysis. But while increasing temperature, methane and its photoproducts seem to sublimate. Therefore, with or without methane, chemistry occurring at temperature higher than 200K seems to be very similar. I conclude than methane does not have significant influence on ice chemistry

Cette thèse porte sur l’analyse isotopique de poussières interplanétaires riches en carbone (des micrométéorites ultracarbonées), pour mieux comprendre les processus de fractionnement isotopique des éléments légers (hydrogène et azote) observés dans les phases organiques de la matière extraterrestre primitive. Il est possible, au sein d’une collection de micrométéorites provenant des régions centrales du continent Antarctique, d’identifier des micrométéorites ultracarbonées (UCAMMs – pour UltraCarbonaceous Antarctic MicroMeteorites) qui contiennent environ dix fois plus de carbone que les météorites primitives. Ces particules rares (environ 1% des particules collectées) ouvrent la possibilité d’étudier en laboratoire des particules cométaires de grandes tailles (100-200 microns). Des analyses minéralogiques, chimiques et structurales sur deux fragments de micrométéorites ultracarbonées ont été réalisées dans le cadre de collaborations à l’aide de techniques de microscopie électronique à balayage, microsonde électronique, microspectroscopie infrarouge (synchrotron SOLEIL). Le travail principal de cette thèse concerne l’analyse isotopique de deux UCAMMs par spectrométrie de masse à émission ionique secondaire (SIMS) à l’aide de la microsonde ionique NanoSIMS. Les développements instrumentaux effectués en collaboration entre les équipes du CSNSM et de l’Institut Curie permettent de résoudre les interférences moléculaires avec un pouvoir de séparation en masse supérieur à 20 000 en conservant une sensibilité compatible avec les mesures envisagées. Ainsi, il a été possible de mesurer pour la première fois la composition isotopique de l’hydrogène avec les ions poly-atomiques 12C2D- et 12C2H- et de comparer sa distribution spatiale avec celle de l’azote (12C15N-/12C14N-) obtenue sur la même surface avec le même champ magnétique. Un protocole de fabrication d’une série d’échantillons standards a été développé à partir de polymères isotopiquement marqués en deutérium afin de déterminer le fractionnement instrumental du NanoSIMS démontrant la possibilité d’effectuer des mesures précises de la composition isotopique de l’hydrogène dans la matière organique avec des ions polyatomiques (rapports CD-/CH- et C2D-/C2H-). Les cartographies isotopiques à haute résolution spatiale (200 nm) en C2D-/C2H- et C15N-/C14N- montrent une distribution très hétérogène du deutérium avec des valeurs extrêmes allant jusqu’à 20 fois la valeur des océans terrestres, alors que les rapports 15N/14N restent globalement proches (à 20% près) de la valeur de l’atmosphère terrestre. Les mesures des rapports N/C en imagerie ionique effectuées au NanoSIMS confirment les valeurs mesurées par microsonde électronique et montrent que la matière organique des UCAMMs est riche en azote. Les comparaisons des images isotopiques entre elles et avec les images obtenues par les autres techniques montrent la matière organique des micrométéorites ultracarbonées est constituée de différents composants. Le composant principal ne montre pas de corrélation entre les excès en D et ceux en 15N. Une fraction mineure de la surface analysée montre des excès corrélés en D et en 15N, sans que la composition élémentaire ni la structure de cette composante ne diffèrent significativement du reste de la particule. Enfin, une seconde composante mineure présentant des enrichissements modérés en D et des rapports 15N/14N inférieurs à la valeur de l’atmosphère terrestre. L’ensemble des données peut être expliqué en supposant que les micrométéorites ultracarbonées proviennent de la surface d’objets glacés transneptuniens. Les caractéristiques élémentaires et isotopiques observées dans la matière organique des UCAMMs pourraient résulter du mélange de différentes strates du corps parent ayant subi une irradiation par le rayonnement cosmique galactique à grandes distances héliocentriques. / This thesis covers the isotopic analysis of carbon-rich interplanetary dust (ultracarbonaceous micrometeorites), in order to better understand the isotopic fractionation process of light elements (hydrogen and nitrogen) observed in the organic phases of primitive extraterrestrial matter. It is possible, within a collection of micrometeorites coming from the central regions of the Antarctic continent, to identify ultra-carbonaceous micrometeorites (UCAMMs – for Ultra-Carbonaceous Antarctic MicroMeteorites) which contain about ten times more carbon than the primitive meteorites. These particles are extremely rare and open the possibility to study in laboratory cometary particles of large sizes (100-200 microns). This thesis focuses on the isotopic analyses of UCAMMs, in order to understand the isotopic fractionation processes of light elements (hydrogen and nitrogen) observed in the organic matter of the primitive solar system. Mineralogical, chemical and structural analyses on two fragments of ultra-carbonaceous micrometeorites were performed in the framework of collaborations using techniques of scanning electron microscopy, electron microprobe, infrared microspectroscopy (SOLEIL synchrotron). The main work of this thesis concerns the isotopic analysis of two UCAMMs by Secondary Ion Mass Spectrometry (SIMS) using the NanoSIMS ion microprobe. The instrumental developments performed in collaboration between the CSNSM and the Curie Institute teams allow to resolve molecular interferences with a mass resolving power higher than 20 000 retaining a sensibility compatible with the measurements considered here. So, it has been possible to measure for the first time the hydrogen isotopic composition with the polyatomic ions 12C2D- and 12C2H- and to compare its spatial distribution with that of the nitrogen (12C15N-/12C14N-) obtained on the same surface with the same magnetic field. A protocol for producing a series of standard samples was developed from polymers isotopically enriched in deuterium in order to determine the instrumental fractionation of the NanoSIMS showing the possibility to perform precise measurements of the hydrogen isotopic composition in the organic matter with polyatomic ions (CD-/CH- and C2D-/C2H- ratios). The isotopic maps at high spatial resolution (200 nm) in C2D/C2H and C15N/C14N show a very heterogeneous distribution in deuterium with extreme values going up to 20 times the terrestrial ocean value, whereas the 15N/14N ratios remain globally close (within 20%) to the terrestrial atmosphere value. Measurements of N/C ratios in ion imaging performed at the NanoSIMS confirm the values measured by electron microprobe and show that the organic matter of UCAMMs is rich in nitrogen. Comparisons between isotopic images with each other and with the images obtained by the other techniques show that the organic matter of ultracarbonaceous micrometeorites is constituted of different components. The main component doesn’t exhibit a correlation between the D and 15N excesses. A minor component of the analyzed surface exhibits correlated excesses in D and in 15N, without neither the elemental or structural composition of this component significantly differs from the rest of the grain. Finally, a minor component showing moderate enrichments in D and 15N/14N ratios lower than the terrestrial atmosphere value could have been identified.All the data can be explained assuming that the ultracarbonaceous micrometeorites come from the surface of transneptunian icy objects. The elemental and isotopic characteristics observed in the organic matter of UCAMMs might result from the mixing of different strata of the parent body having undergone irradiation by the galactic cosmic radiation at large heliocentric distances.