• Langue : Français, Anglais
• Discipline : Chimie des matériaux
• Identifiant : 2024ULILR041
• Type de thèse : Doctorat
• Date de soutenance : 20/09/2024

Résumé en langue originale

La mission Hayabusa2, menée par l'agence spatiale japonaise (JAXA), a rapporté quelques grammes de la surface de l'astéroïde carboné Ryugu. Ces échantillons, en plus de contenir des informations précieuses concernant la formation et l'évolution du système solaire, présentent à la surface de certains grains des textures modifiées qui n'avaient jamais été observées dans les collections de chondrites carbonées. Il s'agit de couches fondues d'épaisseur micrométrique formées par des impacts de micrométéorites sur la surface de l'astéroïde. Ces modifications, auxquelles s'ajoutent celles associées à l'irradiation par le vent solaire, son dénommés altération spatiale. Afin de comprendre les mécanismes de formation de ces microstructures, l'utilisation d'outils permettant d'accéder aux échelles sub-micrométriques est fondamentale. La microscopie électronique en transmission (MET) permet d'atteindre des résolutions atomiques en imagerie et un couplage avec de l'analyse chimique par les spectroscopies en dispersion d'énergie (EDS) et de perte d'énergie des électrons (EELS).Les analyses MET-EDS ont révélé que la minéralogie de la matrice de Ryugu est composée principalement de phyllosilicates, de sulfures de fer et de nickel, de magnétites, de carbonates et de matière organique. Les couches fondues, sont quant à elles constituées d'un silicate amorphe contenant une fine dispersion de nanosulfures et de vésicules. Cette étude suggère que le matériau a atteint une température supérieure à 1300 °C avant de subir un refroidissement bref (< 10-6 s). Ces conditions ont conduit à la perte des éléments les plus volatils (H, O, C, S) ainsi qu'à la fusion/précipitation des sulfures dont la taille a été divisée par trois par rapport à ceux présents dans la matrice. À l'échelle de l'astéroïde, l'ensemble de ces changements chimiques et structuraux peuvent engendrer de fortes modifications de la signature spectrale de l'astéroïde dans l'infrarouge. Afin de les identifier à l'échelle nanométrique, cette thèse exploite le développement récent de monochromateurs permettant d'accéder en EELS à une gamme spectrale équivalente à celle sondée par les télescopes (environ 400 nm - 15 µm ; faibles pertes d'énergie, i.e. quelques meV). Les résultats mettent en évidence une perte des groupements hydroxyles ainsi que de la matière organique dans les couches fondues. Mis en comparaison avec les observations infrarouges réalisées par télédétection sur la surface de l'astéroïde et ensuite par l'étude des grains collectés, nous confirmons que l'altération spatiale contribue fortement aux modifications de la signature spectrale des astéroïdes carbonés hydratés. En masquant -en partie- la minéralogie sous-jacente, l'altération spatiale peut entraîner une sous-estimation du nombre d'astéroïdes carbonés et hydratés dans le système solaire.L'utilisation de la MET pour l'analyse de tels échantillons nécessite néanmoins une approche précautionneuse. Certaines phases présentes dans Ryugu, telles que la matière organique et les phyllosilicates, sont hautement sensibles au faisceau électronique et s'endommagent rapidement lors de leur analyse. Cette thèse propose donc aussi un travail expérimental de caractérisation de l'endommagement de polymères de référence et de la matière organique insoluble de la chondrite Orgueil par spectroscopie EELS. Par ailleurs, l'apparition récente des détecteurs à détection directe d'électrons permet, entre autres, d'optimiser les conditions expérimentales pour maximiser le signal sur bruit des spectres tout en limitant l'exposition de l'échantillon au faisceau électronique. Ce travail permettra à terme l'analyse de la distribution moléculaire de la matière organique de Ryugu en lien avec les phyllosilicates à l'échelle nanométrique, et donc de remonter au rôle de l'altération spatiale et de l'altération aqueuse sur son évolution.

Résumé traduit

The JAXA-led Hayabusa2 space mission returned to Earth with a few grams of material from the surface of the carbonaceous asteroid Ryugu. These samples exhibit modified surface textures due to space weathering, which have not been observed before in carbonaceous chondrites. The micrometric molten layers are believed to be the result of micrometeorite impacts, resulting in chemical and structural transformations of the underlying material. In order to comprehend the origin of such structures, it is essential to employ characterization instruments capable of reaching the submicrometric scale. The scanning transmission electron microscope (STEM) enables the coupling of several techniques, including imaging and chemical analyses using energy dispersive X-ray spectroscopy (EDX) and electron energy-loss spectroscopy.First, imaging and chemical (EDX) analyses were conducted on several molten layers of Ryugu of varying sizes and textures in order to estimate their conditions of formation as well as the nature of their precursors. This study indicates that high temperatures above 1300 °C were attained in melt layers, which were then rapidly cooled and solidified (< 10-6 s). Such extreme conditions permitted the escape of the most volatile elements (H, C, O, S) from melt layers as well as the diminution in size of the nanosulfides by a factor of three. In order to access the mid-infrared spectral signature of such regions, this thesis work takes profit of the recent development of a new generation of monochromators, thereby opening the door to sub-micrometric vibrational spectroscopy acquisitions at low energy losses, i.e. few meV. This technique enables the isolation of the spectral contributions of the molten layers from the rest of Ryugu's mineralogy, allowing for comparison with larger-scale infrared observations performed in laboratories as well as on the asteroid surface by remote sensing. Our findings indicate that space weathering has a profound impact on the spectral signature of carbonaceous asteroids, obscuring some of the underlying carbon-rich and hydrated matrix.The utilization of electron microscopy for the study of such unique samples necessitates a meticulous methodology. Certain phases, including organic matter and phyllosilicates, are particularly sensitive to the electron beam and can be quickly damaged when exposed to it. Accordingly, this thesis work proposes an experimental study of beam damage on reference polymers using EELS. In addition, the development and utilisation of direct electron detectors significantly enhances the signal-to-noise ratio of the acquired spectra, thereby facilitating the limitation of the samples' exposure to the beam. The perspective of this work is to investigate the nanoscale speciation of Ryugu organic matter by employing the panel of experimental conditions (accelerating voltage, current, scan rate, and electron detection) proposed in this study, which have been demonstrated to prevent major beam damage on the most sensitive phases.