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Etude Physico-chimique de glaces cométaires : simulations numériques et expériences en laboratoire

par Elodie PICO - publié le

Coordonnées : patrice.theule univ-amu.fr, 04 91 28 85 82
Co-encadrant : Olivier Mousis
Laboratoire d’Astrophysique de Marseille
olivier.mousis lam.fr , 04 91 05 59 18

Description du sujet :

La question de l’origine du matériel cométaire reste largement débattue en dépit de la moisson des données retournées par la mission ESA/Rosetta. Une catégorie de modèles prédit que les grains cométaires proviennent du milieu interstellaire et que leur phase volatile proviendrait essentiellement d’une structure amorphe (Owen et al. 1999 ; Bar-Nun et al. 2007) Au contraire, d’autres modèles suggèrent que cette phase
volatile se serait condensée sous forme cristalline dans la nébuleuse protosolaire (Mousis et al. 2010, 2015 ; Luspay-Kuti et al. 2015). La localisation de la frontière entre les réservoirs de glaces cristallines et amorphes restant méconnue dans la nébuleuse protosolaire, il demeure difficile d’établir une corrélation entre les familles dynamiques des comètes et la composition de leurs glaces.

Nous proposons ici d’analyser les données retournées par les instruments de la mission Rosetta (en particulier les données issues des instruments ROSINA et COSIMA) sur la base d’expériences de laboratoire afin d’apporter des contraintes sur la nature des glaces à partir desquelles la comète à courte période 67P/Churyumov-Gerasimenko s’est agglomérée. Pour ce faire, nous proposons deux axes de recherche : le premier axe sera dédié à l’obtention de mesures de courbes l’équilibres et de composition des glaces amorphes formées en laboratoire à partir d’un mélange gazeux prédéfini. Il existe un vaste désert de données dans le domaine pression-température pertinent à l’étude de la formation des comètes. Nous proposons ici d’apporter des nouvelles mesures ou d’intégrer des mesures existantes, qui permettront de tester l’hypothèse d’accrétion des comètes à partir de la glace amorphe. Le deuxième axe consistera à contraindre la structure physico-chimiques interne de la comète à partir des données ROSINA via l’implémentation des données acquises sur les courbes d’équilibres de la glace amorphe et de réactivité de glaces (Theulé et al. 2013,Mispelaer et al. 2015) dans un modèle de noyau existant (Marboeuf et al. 2012 ; Mousis et al. 2015 ; Brugger et al. 2015). Il s’agira alors de déduire les propriétés structurelles du noyau et la nature des phases volatiles condensées. La chimie des glaces a été largement investiguée au PIIM (chimie thermique et photochimique) et implémentée dans le code MICCO.

Nous nous intéresserons notamment à l’oxygène moléculaire, afin de comprendre sa gamme d’observation au sein de 67P.
Dans ce cadre, des expériences en laboratoire s’intéresseront à la formation de molécules, telles l’oxygène moléculaire, au sein de glaces cométaires ainsi qu’à leur réactivité thermique et photochimique au sein d’analogues de glaces interstellaires ou cométaires (Theulé et al, 2013, Duvernay et al, 2014, Fresneau et al, 2014). Des expériences seront réalisées sur le piégeage de O2 et d’autres volatiles dans ces glaces. Les données obtenues en laboratoire (au PIIM ou ailleurs) permettront de faire évoluer les modèles actuels qui ne prévoient pas des abondances moléculaires telles que celles détectées (Bieler et al. Nature, 2015).

Références :
Bar-Nun, A., Notesco, G., Owen, T. 2007. Trapping of N2, CO and Ar in amorphous ice - Application to comets.Icarus 190, 655-659.

Brugger, B., Mousis, O., Morse, A., Marboeuf, U., Jorda, L., Guilbert-Lepoutre, A., Andrews, D., Barber, S.,Lamy, P., Luspay-Kuti, A., Mandt, K., Morgan, G., Sheridan, S., P. Vernazza, P., Wright, I. P. Subsurface
characterization of 67P/Churyumov-Gerasimenko’s Abydos Site. The Astrophysical Journal Letters, soumis.

Luspay-Kuti, A., Mousis, O., Hässig, M., Fuselier, S. A., Lunine, J. I., Marty, B., Mandt, K. E., Wurz, P., Rubin,M., Altwegg, K. The building blocks of comet 67P/Churyumov-Gerasimenko : clathrates. En preparation.

Marboeuf, U., Schmitt, B., Petit, J.-M., Mousis, O., Fray, N. 2012. A cometary nucleus model taking intoaccount all phase changes of water ice : amorphous, crystalline, and clathrate. Astronomy and Astrophysics 542,A82.

Mousis, O., Lunine, J. I., Luspay-Kuti, A., Guillot, T., Marty, B., Ali-Dib, M., Wurz, P., Altwegg, K., Hässig,M., Rubin, M. , Vernazza, P., Waite, J. H. A protosolar nebula origin for the ices agglomerated by Comet7P/Churyumov-Gerasimenko. The Astrophysical Journal Letters, soumis.

Mousis, O., Guilbert-Lepoutre, A., Brugger, B., Jorda, L., Kargel, J. S., Bouquet, A., Auger, A.-T., Lamy, P.,Vernazza, P., Thomas, N., Sierks, H. Pits formation from volatile outgassing on 67P/Churyumov-Gerasimenko.
The Astrophysical Journal Letters, sous presse.

Mousis, O., Lunine, J. I., Picaud, S., Cordier, D. 2010. Volatile inventories in clathrate hydrates formed in theprimordial nebula. Faraday Discussions 147, 509.

Owen, T., Mahaffy, P., Niemann, H. B., Atreya, S., Donahue, T., Bar-Nun, A., de Pater, I. 1999. A lowtemperature origin for the planetesimals that formed Jupiter. Nature 402, 269-270.

A. Bieler, K. Altwegg, H. Balsiger, A. Bar-Nun, J.-J. Berthelier, P. Bochsler, C. Briois, U. Calmonte, M. Combi, J.De Keyser, E. F. van Dishoeck, B. Fiethe, S. A. Fuselier, S. Gasc, T. I. Gombosi, K. C. Hansen, M. Hässig, A.Jäckel, E. Kopp, A. Korth, L. Le Roy, U. Mall, R. Maggiolo, B. Marty, O. Mousis, T. Owen, H. Rème, M. Rubin, T.
Sémon, C.-Y. Tzou, J. H. Waite, C. Walsh and P. Wurz, Nature, 2015, 526, 678–681

P. Theule, F. Duvernay, G. Danger, F. Borget, JB Bossa, V. Vinogradoff, F. Mispelaer and T. Chiavassa,advances in Space Research, 2013, 52, 1567-1579.

F. Duvernay, G. Danger, P. Theule, T. Chiavassa, and A. Rimola. The Astrophysical Journal, 2014, 791, 75

A. Fresneau, G. Danger, A. Rimola, P. Theule, F. Duvernay, and T. Chiavassa. Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 2014, 443, 2991-3000

Hama T. & Watanabe N. Chemical Reviews, Vol. 113, No. 12, p. 8783-8839

Theule P. et al., Advances in Space Research, Volume 52, Issue 8, p. 1567-1579.

Mispelaer et al., Astronomy & Astrophysics, Volume 555, id.A13