Cometary dust and origin of matter in the protoplanetary disk - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2021

Cometary dust and origin of matter in the protoplanetary disk

Poussières cométaires et origine de la matière dans le disque protoplanétaire

Résumé

The objective of this thesis is the analysis of extraterrestrial dust collected in Antarctica: chondritic Antarctic micrometeorites (AMMs) and ultracarbonaceous micrometeorites (UCAMMs). Models predict that 80% of the dust that falls to Earth is of cometary origin. AMMs share many characteristics with the cometary dust reported by the Stardust space mission, and the characteristics of UCAMMs suggest formation at very low temperatures, far from the early sun. Micrometeorites therefore offer an opportunity to understand the mechanisms of cometary dust formation. UCAMMs are mostly composed of an organic matrix containing small mineralogical assemblages. The large amount of organic matter (OM) present in UCAMMs allows its analysis without using the classical extraction methods used to extract insoluble organic matter (IOM) from meteorites. Analyses of the AMMs by Raman and infrared microspectroscopy indicate a polyaromatic OM with a high degree of disorder, with characteristics close to those of the cometary grains reported by the Stardust mission. The variability of the OM spectral parameters is however more important for hydrated chondritic AMMs than for those without phyllosilicates. The mid- and far-infrared spectra show that the non-hydrated AMMs contain pyroxene and olivine silicates and that the aqueous phases of the hydrated AMMs are mainly phyllosilicates. Infrared and Raman analyses of the UCAMMs show a relatively large amount of nitrogen in the organic matter, and the occasional presence of nitrile groups. Spatially resolved X-ray transmission microscopy (STXM-XANES) analyses of the OM show the presence of 3 organic phases of distinct compositions within the UCAMM OM. The nitrogen present in the UCAMMs is carried by only one of these three phases, which has N/C atomic ratios up to 0.2. The inorganic phases contained in the UCAMMs were analysed by transmission electron microscopy. They exist as isolated phases, or as small mineral assemblages in the organic matrix, or as aggregates of different minerals, often cemented by a silicon-rich matrix. A mineral with a texture similar to that of a phyllosilicate was observed in one of the UCAMMs analysed. The similarity between the organic matter of UCAMMs and that of cometary particles suggests that these objects were formed in the outer regions of the protoplanetary disk. The joint presence of high-temperature-forming minerals and hydrated minerals within this organic matter implies a transport mechanism from the inner to the outer regions of the protoplanetary disk. The observation of a potential phyllosilicate in UCAMMs also raises the question of the possibility of aqueous alteration directly on cometary surfaces. However, the presence of hydrated phases within cometary material could also result from the accretion of already altered grains on a previous parent body. Micrometeorites in general thus offer a unique tool for the study of the asteroid-comet continuum highlighted since the return of the Stardust mission samples, and for a better understanding of the relationships between the different objects of the young solar system and the space weathering mechanisms they have undergone.
L’objectif de cette thèse est l'analyse de poussières extraterrestres collectées en Antarctique : les micrométéorites antarctiques chondritiques (AMMs) et les micrométéorites ultracarbonées (UCAMMs). Les modèles prédisent que 80% de la poussière qui tombe sur Terre est d'origine cométaire. Les AMMs partagent de nombreuses caractéristiques avec les poussières cométaires rapportées par la mission spatiale Stardust, et les caractéristiques des UCAMMs suggèrent une formation à très basse température, loin du soleil primitif. Les micrométéorites offrent donc une opportunité de comprendre les mécanismes de formation des poussières cométaires. Les UCAMMs sont majoritairement constituées d'une matrice organique contenant de petits assemblages minéralogiques. La grande quantité de matière organique (MO) présente dans les UCAMMs permet son analyse sans faire usage des méthodes d'extraction classiques utilisées pour extraire la matière organique insoluble (IOM) des météorites. L'analyse des AMMs par microspectroscopie Raman et infrarouge indique une MO polyaromatique présentant un fort degré de désordre, avec des caractéristiques proches de celles des grains cométaires rapportés par la mission Stardust. La variabilité des paramètres spectraux de la MO est cependant plus importante pour les AMMs chondritiques hydratées que dans celles ne contenant pas de phyllosilicates. Les spectres dans l'infrarouge moyen et lointain montrent que les AMMs non hydratées contiennent des silicates de type pyroxènes et olivines et que les phases aqueuses des AMMs hydratées sont principalement des phyllosilicates. Les analyses infrarouge et Raman sur les UCAMMs montrent une quantité relativement importante d'azote dans la matière organique, et la présence ponctuelle de groupements nitriles. Des analyses de la MO résolue spatialement par microscopie X en transmission (STXM-XANES) montrent la présence de 3 phases organiques de compositions distinctes au sein de la MO des UCAMMs. L'azote présent dans les UCAMMs n'est porté que par une de ces trois phases, qui présente des rapports atomiques N/C allant jusqu'à 0,2. Les phases inorganiques contenues dans les UCAMMs ont été analysées par microscopie électronique en transmission. Elles existent comme phases isolées, ou sous forme de petits assemblages minéraux dans la matrice organique, ou comme d’agrégats de différents minéraux, souvent cimenté par une matrice riche en silicium. Un minéral présentant une texture similaire à celle d'un phyllosilicate a été observé dans une des UCAMM analysées. La similarité entre la matière organique des UCAMMs et celle des particules cométaires suggère une formation de ces objets dans les régions externes du disque protoplanétaire. La présence conjointe de minéraux se formant à haute température et de minéraux hydratés au sein de cette matière organique implique un mécanisme de transport des régions internes vers les régions externes du disque protoplanétaire. L'observation d'un phyllosilicate potentiel dans les UCAMMs soulève aussi la question de la possibilité d'altération aqueuse directement sur les surfaces cométaires. Cependant, la présence de phase hydratées au sein de matériel cométaire pourrait également résulter de l'accrétion de grains déjà altérés sur un précédent corps parent. Les micrométéorites en général offrent donc un outil unique pour l'étude du continuum astéroïde-comète mis en évidence depuis le retour des échantillons de la mission Stardust, et pour mieux comprendre les relations entre les différents objets du système solaire jeune ainsi que les mécanismes d'altération qu'ils ont subis.
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Origine : Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-03588921 , version 1 (25-02-2022)

Identifiants

  • HAL Id : tel-03588921 , version 1

Citer

Baptiste Guérin. Cometary dust and origin of matter in the protoplanetary disk. Earth and Planetary Astrophysics [astro-ph.EP]. Université Paris-Saclay, 2021. English. ⟨NNT : 2021UPASP138⟩. ⟨tel-03588921⟩
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