Given the role of HCN as a reactant in RNA building block production (e.g. nucleobases, ribose, and 2-aminooxazole), we propose that an atmosphere rich in hydrogen cyanide (HCN) is a distinguishing feature of what we term biogenic worlds. These are worlds that can produce key biomolecules for the emergence of life in situ rather than requiring they be delivered, e.g., by meteorites. To attack the question of whether early Earth was biogenic, we develop a series of new capabilities including the calculation of missing/unknown HCN reaction rate coefficients, the simulation of HCN chemistry in planetary atmospheres, and the coupling of atmospheric HCN chemistry and rain-out to the production and evolution of RNA building blocks in warm little ponds (WLPs). We make a major leap in understanding the origin of RNA on a biogenic early Earth by building a comprehensive model that couples terrestrial geochemistry, radiative transfer, atmospheric photochemistry, lightning chemistry, and aqueous pond chemistry. We begin by developing an accurate and feasible method to calculate missing reaction rate coefficients related to HCN chemistry in planetary atmospheres. We use density functional theory simulations to solve the transition states for various reactions, and use the simulated energies and partition functions to calculate the corresponding rate coefficients using the principles of statistical mechanics. We initially explore and calculate rate coefficients for a total of 110 reactions present in reducing atmospheres dominated by N2, CH4, and H2, including 48 reactions that were previously unknown in the literature. Our rate coefficients are most commonly within a factor of two of experimental values, and generally always within an order of magnitude of these values. This accuracy is consistent with the typical uncertainties assigned in large-scale kinetic data evaluations. Next, we develop a consistent reduced atmospheric hybrid chemical network (CRAHCN) containing experimental values when available (32%) and our calculated rate coefficients otherwise (68%). To validate our chemistry, we couple CRAHCN to a 1D disequilibrium chemical kinetic model (ChemKM) to compute HCN production in the reducing atmosphere of Saturn's moon Titan. Our calculated atmospheric HCN profile agrees very well with the measurements performed by instruments aboard the Cassini spacecraft, suggesting our chemical network is accurate for modeling HCN production in reducing environments. We also perform sensitivity analyses on this chemistry and find HCN production and destruction on Titan can be understood in terms of only 19 dominant reactions. The process begins with UV photodissociation of N2 and CH4 in the upper atmosphere, and galactic cosmic ray dissociation of these species in the lower atmosphere. The dissociation radicals then proceed to react along four main channels to produce HCN. It is of particular excitement that one of these channels was newly discovered in this work. Moving forward to modeling early Earth, we expand upon CRAHCN by exploring and calculating rate coefficients related to HCN and H2CO chemistry in atmospheres with oxidizing conditions. We calculate the rate coefficients for 126 new reactions, including 45 reactions that were first discovered in this work. We find the accuracy of our method continues to produce most commonly factor of two agreement with respect to experimental values. Next, we develop the oxygen extension to CRAHCN (CRAHCN-O), containing a total of 259 reactions for computing HCN and H2CO production in atmospheres dominated by N2, CO2, H2, CH4, and H2O. Again, experimental rate coefficients are used when available (43%), and our calculated values are used otherwise (57%). We then build a comprehensive model with a unique coupling of early Earth geochemistry, radiative transfer, atmospheric UV and lightning chemistry, and aqueous chemistry in WLPs. We calculate self-consistent pressure-temperature profiles using a 1D radiative transfer code called petitRADTRANS, and couple these to CRAHCN-O and ChemKM to simulate HCN and H2CO production on early Earth. We model two epochs, at 4.4 and 4.0 billion years ago (bya), which differ in atmospheric composition, luminosity, UV intensity, radical production from lightning, and impact bombardment rate. The respective reducing and oxidizing atmospheric compositions of the 4.4 and 4.0 bya epochs are mainly driven by the balance of H2 impact degassing and CO2 outgassing from volcanoes. We then couple the rain-out of HCN with a comprehensive WLP model to compute the in situ production of RNA building blocks for each epoch. HCN pond concentrations are multiplied by experimental yields to calculate biomolecule production, and there are various biomolecule sinks present including UV photodissociation, hydrolysis and seepage. At 4.4 bya, we find that HCN rain-out leads to peak adenine production of 2.8μM (378 ppb) for maximum lightning conditions. These concentrations are comparable to the peak adenine concentrations delivered by carbon-rich meteorites (10.6μM); however, the concentrations from in situ production persist for > 100 million years in contrast to ~days for meteoritic concentrations. Guanine, cytosine, uracil and thymine concentrations from in situ production at this time peak in the 0.19–3.2μM range, and ribose and 2-aminooxazole peak in the nM range. We note that cytosine and thymine are not present in meteorites, suggesting this biogenic pathway may be one of the only plausible origins of these RNA and DNA building blocks. We find that the high mixing ratio of HCN near the surface of our 4.4 bya model is mainly driven by lightning chemistry rather than UV chemistry. Our results show that HCN production at the surface is linearly dependent on lightning flash density. This result supports a lightning-based Miller-Urey scenario for the origin of RNA building blocks. At 4.0 bya, HCN production and rain-out is 2–3 orders of magnitude less abundant than it is at 4.4 bya, leading to negligible concentrations of RNA building blocks in WLPs during this late oxidizing phase. Similar to HCN production in Titan's atmosphere, HCN production in early Earth's atmosphere is strongly correlated with CH4 content. Reducing (H2-dominant) conditions sustain CH4 levels at a roughly constant ppm-level over 100 million years, which is favourable for HCN production. In oxidizing conditions, CH4 is readily oxidized into CO2, leading to less HCN. These results suggest that early Earth was biogenic at 4.4 bya, and remained so for at least ~100 million years, but was over by 4.0 bya due to oxidation of the atmosphere. This thesis provides a firm theoretical foundation for an origin of RNA in WLPs on a biogenic early Earth within about 200 million years after the Moon-forming impact and the cooling of the magma ocean. / Thesis / Doctor of Philosophy (PhD)

L'orbite gravitationnelle d'une comète est affectée par la sublimation de la glace d'eau, un des principaux composants du noyau, lorsqu'elle s'approche du Soleil. Ce dégazage anisotrope produit une force dite non-gravitationnelle qui modifie de façon significative l'orbite de la comète. L'amplitude des perturbations dépend de plusieurs paramètres qui peuvent être contraints par différents types d'observations telles que les observations astrométriques et photométriques ou encore les taux de production d'eau observés en radio astronomie. Jusqu'à maintenant, la modélisation de ces effets est essentiellement fondée sur un modèle empirique défini dans les années 70 par Marsden et al. (1973) utilisant un dégazage isotrope. Dans cette thèse, j'ai développé une nouvelle approche de la physique du problème des forces non-gravitationnelles faisant intervenir différents paramètres physiques tels que les position et vitesse initiales de la comète, son activité, la direction de l'axe de rotation, la masse du noyau et donc sa densité si son volume est connu, paramètre essentiel pour la compréhension de la formation des comètes. J'ai ainsi pu déduire leur valeur par ajustement d'orbite et de données photométriques. Ce travail a été appliqué à deux comètes : 19P/Borrelly pour le développement et la validation ma méthode, et 67P/Churyumov-Gerasimenko la cible de la mission spatiale européenne Rosetta dont la connaissance de la masse est primordiale.

Cette thèse décrit la mise en place du modèle dynamique de l'éphéméride planétaire et lunaire INPOP (Intégration Numérique Planétaire de l'Observatoire de Paris) et son ajustement aux données de télémétrie laser Lune. Dans une première partie sont exposées des généralités sur la modélisation des forces et moments qui s'exercent entre les corps du Système solaire. Ces interactions, qui conduisent aux équations du mouvement, comprennent les termes principaux newtoniens, des corrections induites par la relativité générale, des perturbations liées à la non sphéricité de certains corps ou au fait qu'il peuvent se déformer sous l'effet de contraintes internes (effets de marées). La deuxième partie traite des ajustements aux données Lunar Laser Ranging (LLR), mesure du temps de trajet de la lumière entre une station terrestre et un réflecteur déposé à la surface de la Lune. Leur précision intrinsèque de quelques centimètres pour les plus récentes nécessite de tenir compte pour leur réduction d'effets physiques faibles, comme les mouvements de la croûte terrestre ou la déviation relativiste des rayons lumineux. Enfin, la troisième partie décrit les constructions de trois solutions particulières. La première, conçue pour retrouver la solution DE405 du Jet Propulsion Laboratory, permet de valider le modèle dynamique. La deuxième, en corrige quelques inconsistances et intègre l'orientation de la Terre, dans le but de produire des solutions à long terme. La troisième version, dont le modèle dynamique est amélioré, est ajustée aux données LLR. Les résidus LLR et valeurs de paramètres ajustés sont comparés à ceux d'autres solutions publiées.

La température anormalement élevée de la couronne reste un des problèmes majeurs de la physique solaire. Toutefois, les observations récentes des satellites SoHO, Yohkoh ou TRACE semblent indiquer que les processus responsables du chauffage des régions fermées se situent dans la basse couronne ou dans la chromosphère, donc proches de la surface solaire, et sont associées 'a la dissipation de couches de courant continu. L'analyse statistique de données suggère que les mécanismes de chauffage résulteraient donc de nombreux événements de dissipation de couches de courant de petite échelle et de faible 'énergie, 'a la limite de la résolution des instruments modernes. Nous proposons un modèle statistique sur réseau, résultante d'une approche plus physique que la criticalité auto-organisée, constitué d'une source d'énergie magnétique de petite échelle et de mécanismes de dissipation des courants, qui peuvent être associés soit 'a la reconnexion magnétique soit à la résistivité anormale. Les différents types de sources et de mécanismes de dissipation permettent d''étudier leur influence sur les propriétés statistiques du système, en particulier sur l''énergie dissipée. Dans le but de quantifier ces comportements et de permettre des comparaisons approfondies entres les modèles et les observations, des techniques d'analyse peu utilisées en physique solaire, telles que la décomposition en valeurs singulières, des entropies, ou la technique de Pearson de classification des densités de probabilité, sont introduites et appliquées à l'étude des propriétaires spatiales et temporelles du modèle.

L'étude des astéroïdes croisant les orbites planétaires met en œuvre en particulier l'astrométrie, la constitution puis l'exploitation de bases de données d'observations et enfin la modélisation dynamique. Dans ces trois domaines, la recherche du maximum de précision est un gage de solidité des résultats que l'on peut ensuite appliquer à des études spécifiques. Dans un premier temps, je dresserai un état de l'art sur notre connaissance des astéroïdes orbitant à proximité de la Terre : les géocroiseurs. J'y présenterai les différentes familles dynamiques, la statistique de découverte ainsi que les différents types d'observations effectuées. Puis, je développerai une section consacrée au modèle dynamique utilisé en présentant les différentes forces pouvant agir sur les géocroiseurs. Je terminerai enfin cet état de l'art par une section dédiée à la détermination et la propagation d'orbite. Je présenterai dans un deuxième chapitre une étude dynamique des astéroïdes géocroiseurs à travers l'exemple de astéroïde (99942) Apophis. J'y développerai les aspects liés à la sensibilité de son orbite ainsi qu'une étude détaillée de la géométrie et de la dynamique de la rencontre proche entre Apophis et la Terre en 2029. Je mettrai l'accent sur les "trous de serrure" (keyhole), terminologie nécessaire à notre compréhension et interprétation des risques de collision avec la Terre. J'exposerai pour clore ce chapitre l'apport de nouvelles observations (optiques et radars) sur la précision de son orbite à court et à long terme. Enfin, je présenterai dans une troisième partie, l'apport d'observations spatiales pour l'orbite d'Apophis à travers la mission Gaia. J'exposerai, dans ce même chapitre, la méthode utilisée pour la détermination d'orbite pour des objets nouvellement découverts par Gaia à partir de deux observations et d'une stratégie de suivi à partir de la Terre. Je mettrai un accent particulier sur la synergie de données sol et espace pour les objets du Système Solaire.

La Terre et Titan, plus grand satellite de Saturne, présentent des similarités atmosphériques importantes. Tous deux ont une atmosphère dense d'une pression de l'ordre du bar à leur surface, composée majoritairement d'azote. Une différence majeure de composition atmosphérique les distingue. Le second composé majoritaire est l'oxygène sur la Terre, le méthane sur Titan. L'atmosphère terrestre est par conséquent une atmosphère aux propriétés oxydantes alors que l'atmosphère de Titan est à tendance réductrice. Cette propriété entraîne des schémas d'évolution par photochimie radicalement différents pour les composés organiques volatiles présents dans ces deux atmosphères : une lyse oxydante des squelettes carbonés dans l'atmosphère terrestre, et une croissance organique efficace dans l'atmosphère de Titan. Sur Titan la croissance organique conduit à la formation de particules solides en suspension, créant un brouillard organique qui enveloppe l'ensemble du satellite naturel et qui constitue un matériau chimique complexe d'intérêt prébiotique. Je m'intéresse particulièrement à l'influence des espèces ionisées sur cette croissance organique et envisage de l'étudier dans le cas de la complexification chimique de l'atmosphère terrestre primitive.

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.

L'objectif fondamental des sciences planétaires est la compréhension de la formation et de l'évolution du Système Solaire. Pour atteindre cet objectif les astéroïdes présentent un intérêt tout particulier pour la communauté scientifique. En effet, nous pouvons regarder la population astéroïdale comme une fenêtre vers le passée, par laquelle nous regardons les débuts de la formation du système planétaire. Ils sont les témoins des premiers moments de la formation des planètes gardant dans leur structure la complexité chimique de la nébuleuse primordiale. Pour cette raison, les études physiques et dynamiques de ces corps nous apportent des informations essentielles sur l'histoire et l'évolution de notre Système Solaire et plus généralement sur la formation des systèmes planétaires. Pendant ma thèse j'ai développé l'application Modelling for Asteroids (acronyme M4AST). M4AST est un service en libre service sur internet permettant la modélisation des surfaces d'astéroïdes en utilisant plusieurs approches théoriques. M4AST est composé d'une base de données contenant quelques 2500 spectres d'astéroïdes et d'une bibliothèque de routines permettant la modélisation et l'obtention de plusieurs paramètres minéralogiques. La base de données est accessible aussi bien par les biais des protocoles de l'Observatoire Virtuel (OV-Paris) que par sa propre interface. Le service est accessible depuis l'adresse http:// cardamine.imcce.fr/m4ast. M4AST permet plusieurs types d'analyses : classification taxonomique, modélisation de l'altération spatiale, comparaison avec les spectres des météorites et des minéraux terrestres, calculs des centres et des surfaces des bandes. J'ai participé à plus de 10 campagnes d'observations pour la caractérisation physique et dynamique des astéroïdes. Les observations spectroscopiques ont servi à la caractérisation minéralogique des surfaces d'astéroïdes. L'astrométrie a plutôt servi à la confirmation et la sécurisation de nouvelles découvertes d'astéroïdes. Pendant la thèse, j'ai observé et caractérisé les spectres en infrarouge proche de huit astéroïdes géocroiseurs : 1917, 8567, 16960, 164400, 188452, 2010 TD54, 5620, and 2001 SG286. Ces observations ont été obtenues avec le télescope IRTF et du spectrographe SpeX, en employant l'infrastructure CODAM de l'Observatoire de Paris. Pour chaque astéroïde j'ai proposé des solutions minéralogiques. Une révision de leur taxonomie a aussi été effectuée pour cinq astéroïdes de mon échantillon. Quatre des objets sont des objets à faible delta-V, qui sont des cibles souhaitables/possibles pour des missions spatiales. L'astéroïde (5620) Jasonwheeler montre un spectre similaire à ceux des météorites chondritiques. J'ai observé et modélisé six astéroïdes de la ceinture principale. (9147) Kourakuen, (854) Frostia, (10484) Hecht and (31569) 1999 FL18 montrent des caractéristiques des astéroïdes du type V; (1333) Cevenola, (3623) Chaplin sont du type taxonomique S. Quelques astéroïdes de cet échantillon sont particuliers : (854) Frostia est un astéroïde binaire, (10484) Hecht et (31569) 1999 FL18 ont des gémeaux dynamiques, (1333) Cevenola et (3623) Chaplin sont des objets avec des courbes de lumières à grandes amplitudes. La classification taxonomique, la comparaison avec les météorites, permettent l'établissement des solutions minéralogiques intéressantes et des ressemblances avec les météorites de la classe des howardites, eucrites et diogenites.

La planète Mars est pourvue d'un climat glaciaire et d'un pergélisol riche en glace. Le comportement mécanique du pergélisol est affecté par la présence de la glace. L'objectif de cette étude est (1) de mesurer expérimentalement la viscosité de mélanges glace-roche analogues au pergélisol et (2) d'appliquer ces résultats à la rhéologie du pergélisol, la tectonique et la morphologie. Des implications climatiques et tectoniques sont obtenues à partir de l'étude de glaciers rocheux et des rides compressives. Les résultats expérimentaux établissent que le mélange glace-roche se déforme de manière visqueuse pour des proportions de glace en volume, donc des porosités, supérieures à 28%. La déformation est cassante pour des proportions de glace inférieures à 28%. Ainsi, lorsque la porosité du pergélisol est élevée, celui-ci est ductile avec une résistance nettement inférieure aux niveaux fragiles. La profondeur à laquelle la déformation ductile du pergélisol peut s'effectuer est limitée par la porosité. La déformation visqueuse du pergélisol s'observe en surface sous la forme de glaciers rocheux situés dans les régions de latitude 35 à 50° où les températures sont actuellement d'environ -60°C. A partir des données de rhéologie et d'observations morphologiques, nous montrons que ces glaciers rocheux ont pu se former sur des durées de l'ordre du milliard d'années et des températures invariablement froides. Aucun réchauffement climatique important n'a pu survenir au cours de l'évolution récente de la planète, soit depuis environ 2 Ga. Les "rides" martiennes sont des structures compressives interprétées comme des chevauchements enracinés à faible profondeur. A partir d'observations structurales d'une part et des résultats expérimentaux d'autre part, nous montrons (1) que ces structures sont enracinées sur un niveau de décollement à environ 1.5 km de profondeur et (2) que ce niveau correspond à un interface ductile dû à la glace du sous-sol. Enfin nous développons le problème de la nature du champ de compression à l'origine des rides. En utilisant les observations, les méthodes de datation par cratères et les modèles de refroidissement de la planète, nous arrivons à la conclusion que la déformation compressive est générée par la contraction thermique globale de la planète.

La première partie de cette thèse est motivèe par un problème important soulevé par la théorie linéaire des ondes de densité, Celle-ci prévoit en effet un transfert de moment cinétique entre une onde et le satellite qui l'excite.Ce transfert devrait créer l'effondrement des anneaux sur la planète, en particulier de l'anneau A, et l'éloignement des satellites en des temps caractéristiques très courts devant l'âge du système solaire , ce qui contredit l'hypothèse de l'origine primordiale des anneaux, qui semblait a priori la plus simple pour expliquer leur existence, Plusieurs hypothèses ont été avancées pour résoudre cette question: soit bien sür les anneaux sont jeunes, soit le calcul du transfert de moment cinétique par la théorie linéaire est largement surestimé, soit encore la physique qui permet la survivance des anneaux n'est pas comprise. Le but de mon travail est de tester la deuxième hypothèse, en utilisant une représentation non-linéaire des ondes de densité, Dans un premier temps, j'expliquerai les bases du formalisme non-linéaire utilisé, qui a été développé par Borderies, Goldreich et Tremaine et appliqué par ce groupe à une grande variété de problèmes de dynamique des anneaux de planètes. Je présenterai également un travail théorique formulant ce formalisme dans le cas où le corps central ne possède pas la symétrie sphérique. J'expliquerai ensuite comment je l'ai utilisé dans l'étude d'un des profils d'onde enregistré par Voyager, et je montrerai les implications de cette étude sur notre connaissance des caractéristiques physiques des anneaux et de leur dynamique. La seconde partie de cette thèse se rattache au premier des axes de recherche mentionné ci-dessus. Les études statistiques des anneaux portent en quasi-totalité sur la détermination de la dispersion de vitesse des particules, qui dans la plupart des cas sont supposées toutes identiques. A l'inverse, je me suis intéressé à un problème encore peu étudié: la distribution en taille des particules dans les anneaux. J'exposerai un modèle analytique que j'ai développé en vue d'expliquer les caractéristiques de la distribution dans les anneaux de Saturne, qui a pu être déterminée à l'aide des données de l'expérience d'occultation radio des anneaux réalisée par Voyager. L'un des buts d'une telle étude est d'entreprendre un premier pas dans l'élaboration d'une théorie statistique des anneaux plus complète que celles dont on dispose actuellement (en vue par exemple, d'une détermination couplée de la dispersion de vitesse et de la distribution en taille des particules) .