Volatile element behaviour in cometary ice analogues under irradiation
Comportement des éléments volatils dans les glaces cométaires irradiées
Résumé
Comets represent some of the most pristine and unprocessed bodies in our solar system. As such, their analysis can provide a unique insight into the chemical makeup of the early Solar System. Furthermore, due to their volatile-rich nature, comets may have played an important role in delivering volatile elements (e.g., H, C, N, O) and organic materials to early Earth. Understanding how comets form can therefore provide a wealth of information on how the composition of volatile elements evolved in the solar system, from the pre-solar molecular cloud up until the formation of the terrestrial planets. Decades of cometary studies, and the recent ESA Rosetta mission to comet 67P/Churyumov-Gerasimenko (67P/C-G), have demonstrated that volatile species trapped in comets have a composition that is distinct from any other known reservoir in the Solar System. Cometary nitrogen, in particular, shows strong enrichments in the rare 15N isotope. The origin of these enrichments remains unclear, potentially reflecting the isotopic fractionation of an initial 15N-poor nebular gas, or inheritance from an unknown isotopic reservoir. During this PhD, I have developed an experimental setup to form cometary ices (i.e., water-rich ices formed at very low temperatures and pressures), with the overarching objective of exploring how volatile elements (including N and noble gases) were incorporated into cometary ice during water condensation from the protosolar nebula. Different temperatures of formation (from 28K to 80K) and irradiation conditions have been tested in order to investigate the conditions that best reproduce the actual volatile composition of comet 67P/C-G. It was found that condensing cometary ice analogues at temperatures ~70K is best able to reproduce the nitrogen and noble gas abundances measured in 67P/C-G. Moreover, we discovered that the incorporation of nitrogen and noble gases into, and subsequent release from, cometary ices does not produce significant isotope variations, indicating that isotope signatures in comets were most likely inherited from their environment of formation rather than the result of fractionation during ice formation. Finally, I also investigated the effect that UV irradiation can have on the composition of volatiles trapped within cometary ice. Irradiation during and after ice deposition was found to not have a significant effect on the isotopic composition of the trapped volatile species. However, it was discovered that irradiating the surface of the ice had a major effect on the release pattern of trapped volatiles, with the ice being retentive of trapped volatiles even after the amorphous-to-crystalline ice transition (120-140K), temperatures at which point all trapped volatiles are released from non-irradiated ice. The enhanced retention of volatiles in irradiated cometary ice may have major implications on the potential for comets to deliver volatile elements to the inner solar system.
Les comètes sont parmi les corps les plus primitifs et inaltérés de notre système solaire. Leur étude peut fournir un aperçu unique de la composition chimique du système solaire primitif. De plus, en raison de leur nature riche en élément volatils, les comètes ont probablement joué un rôle crucial dans l'apport d'éléments pré-biotiques (H, C, N et O) et de matières organiques à la Terre primitive. Comprendre comment se forment les comètes peut donc fournir une mine d'informations sur l'évolution de la composition des éléments volatils dans le système solaire, depuis le nuage moléculaire pré-solaire jusqu'à la formation des planètes telluriques. Des décennies d'études cométaires, et la récente mission Rosetta de l'ESA sur la comète 67P/Churyumov-Gerasimenko (67P/C-G), ont démontré que les espèces volatiles piégées dans les comètes ont une composition distincte de tout autre réservoir connu du système solaire. L'azote cométaire, en particulier, présente de forts enrichissements en isotope 15N. L'origine de ces enrichissements reste incertaine, reflétant potentiellement la présence de processus permettant de produire de forts fractionnements isotopiques d'un gaz nébulaire initial pauvre en 15N, ou l'héritage d'un réservoir isotopique riche en 15N inconnu. Au cours de cette thèse, j'ai développé une expérience pour former des glaces cométaires (c'est-à-dire des glaces riches en eau formées à des températures et des pressions très basses), avec l'objectif principal d'explorer comment les éléments volatils (l'azote et les gaz nobles) sont incorporés dans les glaces cométaires à partir de la nébuleuse proto-solaire. Différentes températures de formation (de 28K à 80K) et conditions d'irradiation ont été testées afin d'étudier les paramètres reproduisant le plus fidèlement la composition de la comète 67P/C-G. Les analogues de glace cométaires formés expérimentalement autour de 70K ont des abondances relatives d'azote et de gaz nobles plus proches de celles mesurées dans 67P/C-G que les analogues formés à plus basses températures (≤ 60K). De plus, j'ai mis en évidence que les processus d'incorporation de l'azote et des gaz nobles dans la glace et leur libération ultérieure ne produisent pas de variations isotopiques significatives. Cela indique que les signatures isotopiques des comètes ont très probablement été héritées de leur environnement de formation, et ne résultent pas de processus de fractionnements isotopiques pendant la formation/sublimation de la glace. Enfin, j'ai également étudié l'effet que l'irradiation UV peut avoir sur la composition des gaz piégés dans la glace cométaire. L'irradiation pendant et après le dépôt de glace n'a que peu d'effet sur la composition isotopique des espèces volatiles piégées. Cependant, l'irradiation de la surface de la glace a un effet majeur sur le schéma de libération des gaz piégés. Une glace irradiée conserve ses éléments volatils piégés à des températures supérieures à la température de transition de la glace amorphe à cristalline (120-140K), à l'inverse d'une glace non-irradiée. La rétention prolongée des gaz piégés dans les glaces cométaires irradiées peut avoir des implications majeures sur la capacité des comètes à contribuer à l'apport d'éléments volatils aux planètes du système solaire interne.
| Origine | Fichiers produits par l'(les) auteur(s) |
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