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Between August 2014 and September 2016, the time-of-flight secondary ion mass spectrometer COSIMA (COmetary Secondary Ion Mass Analyser) on board the Rosetta orbiter (Rosetta space mission), performed in situ analyses of the dust particles ejected from the comet 67P/Churyumov-Gerasimenko (67P). First results have confirmed the presence in the cometary dust of a high-molecular-weight organic matter that could show similarities with the IOM (Insoluble Organic Matter) extracted from meteorites. The aim of this thesis is to describe even more accurately the organic matter of the 67P cometary particles. To achieve this goal, I have analyzed numerous organic samples using the two ground models of COSIMA. The comparison between the mass spectra acquired on these calibrations samples and those obtained in situ on the cometary particles gave new insights on the cometary organic matter.From analyses performed with the ground models on a large set of carbonaceous terrestrial and extra-terrestrial analogs (respectively sedimentary rocks and IOMs), I deduced the H/C elemental ratio of 33 individual cometary particles. I found that the H/C elemental ratio of the 67P cometary particles was on average equal to 1.04±0.16, which is generally higher than the H/C measured in IOMs extracted from carbonaceous chondrites. This result suggests that the organic matter of 67P cometary particles is more hydrogenated than the meteoritic IOMs. Moreover, further studies involving semi-quantitative analyses have shown that the cometary organic matter would be an immature material, resembling either the IOMs extracted from the most unaltered chondrites or the unprocessed sedimentary rocks.Based on the interstellar ice model, the cometary organic component could be the result of irradiation and heating of ice mixtures usually observed in the interstellar medium. For this reason, I synthesized complex organic material using an experimental setup that can carry out ultraviolet photolysis and heating on ice mixtures. Once produced, these organic residues were analyzed using the ground models of COSIMA. The photolysis at low temperature produces a refractory residue whose the spectrum contains the spectral signature of the HMT (HexaMethyleneTetramine) which is a molecule that has not been detected in the 67P cometary particle mass spectra. The photolysis at both low and room temperatures would produce an organic residue depleted in HMT compared to hydrocarbonaceous compounds. However, because of the presence of an organofluorine contaminant, this last result must be confirmed by synthesizing new and non-contaminated residues.Thus, the data treatment of spectra acquired on the cometary particles of 67P, and, the spectral comparison between these cometary particles and several natural and synthetic carbonaceous samples, have deepened our understanding of the nature of the cometary organic matter, its chemical formation and evolution.; Entre août 2014 et septembre 2016, la mission spatiale Rosetta étudia la comète 67P/Churyumov-Gerasimenko (67P). A bord de l'orbiteur Rosetta se trouvait l'instrument COSIMA (Cometary Secondary Ion Mass Analyzer), un spectromètre de masse d'ions secondaires à temps de vol, dédié à l’analyse in situ de la composition élémentaire et moléculaire des particules solides éjectées du noyau de la comète. Les premières observations réalisées par COSIMA ont confirmé la présence de matière organique dans les particules cométaires. Cette matière organique serait de haut poids moléculaire et aurait une structure chimique présentant des similarités avec la matière organique insoluble (appelée IOM pour Insoluble Organic Matter) extraite des chondrites carbonées.Afin de caractériser davantage la nature chimique de la matière organique réfractaire contenue dans les particules cométaires, cette thèse repose sur la comparaison des spectres de masse acquis sur les particules de 67P avec ceux obtenus sur des échantillons de référence à l’aide de deux instruments sol de COSIMA, mais aussi sur des simulations en laboratoire tentant de reproduire les observations.A partir des analyses réalisées sur des échantillons organiques de référence, j’ai déterminé deux droites de calibration liant le rapport élémentaire H/C à deux rapports ioniques différents. Celles-ci m’ont ainsi permis de déterminer le rapport élémentaire H/C pour 33 particules cométaires. Ces rapports élémentaire H/C sont compris entre 0,72 et 1,44 pour les particules cométaires et entre 0,1 et 0,8 dans les IOMs extraites des chondrites carbonées. La matière organique des particules cométaires de 67P est donc généralement plus hydrogénée que la plupart des IOMs météoritiques. De plus, une comparaison semi-quantitative des signatures spectrales observées sur les particules cométaires et sur les échantillons de calibration suggère que la matière organique cométaire serait moins altérée que l’IOM chondritique. Il est possible que la matière organique contenue dans les particules cométaires contienne des structures aliphatiques en proportion plus élevée que dans les échantillons d’IOMs extraits de chondrites, ce qui est cohérent avec la détermination du rapport élémentaire H/C.D’autre part, la matière organique cométaire pourrait provenir de la photolyse et du chauffage des glaces observées dans le milieu interstellaire. C’est pourquoi, j’ai également réalisé la synthèse de matière organique complexe par photolyse et chauffage de mélanges de glaces grâce au dispositif expérimental OREGOC (Origine et Evolution des Glaces et des composés Organiques Cométaires). Dans la cas d’une photolyse des glaces uniquement à basse température suivie d’un réchauffement à température ambiante, le spectre de masse acquis par les instruments sol de COSIMA sur le résidu organique formé présente la signature spectrale du HMT (HexaMéthylèneTétramine) qui n’a été détectée ni en phase solide ni en phase gazeuse dans l’environnement de 67P. Une photolyse prolongée de l’échantillon durant le réchauffement jusqu’à température ambiante produirait un résidu organique appauvri en HMT par rapport aux hydrocarbures. Peu de similarités spectrales sont observées entre la matière organique cométaire est les résidus issus de la photolyse à basse température de glace (composée d’eau, de méthanol et d’ammoniaque), suggérant que ces conditions expérimentales ne sont pas suffisantes pour expliquer la nature de la matière organique des particules cométaires. Les travaux effectués durant cette thèse montrent que la matière organique présente en phase solide dans les particules éjectées du noyau de 67P est plus hydrogénée que la matière organique extraite des chondrites carbonées et qu’elle serait moins altérée que cette dernière.Ainsi, grâce à l'interprétation des données issues de l’analyse des particules de la comète 67P/Churyumov-Gerasimenko et la comparaison avec des échantillons de calibration naturels ou synthétisés en laboratoire, j’ai pu approfondir la nature de la matière organique cométaire et contraindre en partie son évolution chimique.

The aim of this thesis is to study and characterize the dust in the coma of the comet 67P/Churyumov-Gerasimenko in order to increase our knowledge about the nature and behavior of comets. These objects are the most pristine of our solar system and their investigation allows to understand the physical and chemical conditions that took place in the primordial environment where they formed. In turn, dust is a fundamental constituent of comets and provides valuable information on their composition, structure and evolution. The importance of the dust lies in the possibility to use it as a proxy to derive properties of the interior of the cometary nuclei. Indeed, the activity produced when the comet approaches the Sun releases both surface material and pristine matter from the inside of the nucleus that cannot be reached otherwise. The ESA Rosetta mission to the comet 67P/Churyumov-Gerasimenko revealed a new insight of the cometary dust providing precious information about its composition, dimension, size distribution and structure. For the rst time it was possible to acquire images of single dust aggregates and to give a comprehensive description of their properties, thanks to the information obtained by all the instrumentation on board the spacecraft. The overall processes that act on the comets are not yet fully understood and there are still open questions that need to be claried. It is therefore essential to continue to investigate this complex scenario to unveil the real nature of these primordial objects. The rst work of this thesis concerns the photometric analysis of images of dust grains, taken by the OSIRIS Narrow Angle Camera (NAC). The large amount of data forced us to develop an automatic pipeline to identify and to analyze the particle tracks present in the images. We measured the spectral slope of about 2000 grains in 555 images taken in 18 days of observation from July 2015 to January 2016. Then we evaluate their variability with respect to the distance from the nucleus and from the Sun. To better characterize the grains composition we perform also a spectrophotometric analysis of a subgroup of 339 grains. To check their nature, we compared their three point spectra with the ones of several nucleus terrains identifying dierent types of grains spectra. The second work of this thesis treats the scattering properties of cometary dust analogs, in collaboration with the Instituto de Astrofsica de Andalusa, Granada at the Cosmic Dust Laboratory. Laboratory experiments are of fundamental importance to interpret the data since they allow to study complex phenomena in a monitored environment, favoring the evaluation of the eects due to specic physical and chemical properties of the dust. We measure the phase function and the linear polarization curve of 7 samples, consisting on 4 meteorites, 2 silicates and 1 organic compound with the aim to compare our results with the observational data of 67P and other comets. Our last work, which is still in progress, consists in the analysis of dust motion with the aim to provide observational constraints to the dynamical models of cometary dust in the inner coma as well as to the shape of the single grains. We focus our investigation on the 15 groups of images taken from July 2015 to January 2016 and we measure the rotational periods, the axis ratio and the direction of motion on a dataset of more than 500 grains.

I castelli di Yale online, Numeri a stampa 1996-2012

The Comet Nucleus Sounding Experiment by Radio-wave Transmission (CONSERT / Rosetta) was designed to scan the interior of the comet 67P / Churyumov-Gerasimenko. This instrument consists of two parts:one on board of Rosetta and the other on board of Philae. The data available from operational and calibration tests allowed a end-to-end calibration of the instrument. This calibration enabled to correct the amplitude imbalance at 5%, of the output power and to build a compensation law for the different models of flight and recharging. This increased the precession of the AGC and gain systemand finally we estimated the delay generated by the filters and electronics system for the different models. The results obtained on the calibration of the data on each model will consequently reduce the estimation errors.Finally, the calibration of CONSER contributed significantly to improve the measurements made during the landing of the Philae on the comet., L'expérience Comet Nucleus Sounding par Radio-wave Transmission (CONSERT / Rosetta) a été conçu pour scanner l'intérieur de la comète 67P / Churyumov-Gerasimenko. Cet instrument se compose de deux parties: l'une à bord de Rosetta et l'autre à bord de Philae. Les données disponibles à partir des tests de fonctionnement et d’étalonnage ont permis de faire une calibration de l’instrument de bout à bout. Cette calibration a permis de corriger le déséquilibre d’amplitude à 5%, de la puissance de sortie et de construire une loi de compensation pour les différents modèles de vol et de recharge. Celui-ci a augmenté la précession de l’AGC et gain système et enfin nous avons estimé le délai engendré par les filtres et l’électronique du système pour les différents modèles. Les résultats obtenus sur la calibration des données sur chaque modèle réduiront, en conséquence, les erreurs d’estimation. Enfin, l’étalonnage de CONSER a beaucoup contribué à améliorer les mesures effectuées lors de l’atterrissage du Philae sur la comète.

During the Solar System formation, 4.6 billion years ago, comets accreted materials which have been transformed according to the physical and dynamical conditions of the accretion disk but also a part of components coming from the interstellar medium. By preserving a primordial composition, the study of comets allows us to better understand the conditions of the proto-planetary disk surrounding the young Sun of an epoch which is now inaccessible. Moreover, it consists also to understand the various comets populations, their formation process, dynamical and activity evolution as they inward and outward the Sun or their structure.The ESA/Rosetta mission followed the comet 67P/Churyumov-Gerasimenko during two years. A ten of instruments has been dedicated to the study of the evolution of its activity, gas release, surface morphology, dust and other objectives. VIRTIS is a visible/infrared spectrometer instrument. It is composed of VIRTIS-M, an imaging spectrometer which gives access to spatial information with moderate spectral resolution and VIRTIS-H, a point spectrometer with a higher spectral resolution. This study is based on the data analysis of VIRTIS instruments and is divided into two parts focused on the study of the nucleus surface.The first part is an analysis of the spectral and photometric parameters: albedo, spectral slope, the main direction of the light diffusion by particles, macroscopic roughness. In a global study, I highlighted the spatial variations of albedo and spectral slope; compared results derived from different models as well as from both instruments. Then, I determined these parameters locally, revealing differences between two types of terrains. This approach allows to better understand the mechanisms linked to the activity (dust drop-off/uprising, space weathering, ice content variation) and also to the surface properties (composition, texture).The second goal of the thesis is to reproduce in the laboratory the observations realized by VIRTIS to give constraints on the composition and texture of the surface. In collaboration with IPAG (Grenoble, France) I led experiments consisting of the production of very fine powders made of materials which look like those we suspect to be present on the nucleus of 67P: organic matter (mimicked by a coal), silicates (olivine) and iron sulfides (pyrite and pyrrhotite) are all observed on comets or their analogues. I ground them to micrometric to nanometric scales and I realized reflectance measurements in the same spectral range than VIRTIS. Then, I have been able to observe effects caused by the variations of the grain size, composition or texture of the mixture and to highlight combinations reproducing the mean comet VIRTIS spectrum. Finally, this work enables us understanding the influence of material poorly studied such as iron sulfides as well as the spectral behaviour of powders composed of grain sizes reaching an order of magnitude close to the wavelengths, which is essential in the study of cometary surfaces.; Lors de leur formation il y a 4,6 milliards d’années, les comètes ont intégré des matériaux transformés selon les conditions physiques et dynamiques du disque d’accrétion mais aussi une part de composés issus du milieu interstellaire. Parce qu’elles ont préservé leurs propriétés, étudier les comètes permet de mieux comprendre les conditions régnant dans le disque proto-planétaire entourant le jeune Soleil à une époque qui nous est inaccessible. Cela permet également de comprendre les différentes populations de comètes, leur processus de formation, leurs évolutions dynamiques, leur activité lorsqu’elles s’approchent du Soleil ou encore leur structure.La sonde européenne Rosetta a accompagné la comète 67P/Churyumov-Gerasimenko pendant deux ans. À son bord, une dizaine d’instruments ont permis d’étudier l’évolution de son activité, les gaz, la morphologie de surface ou les poussières parmi d’autres objectifs. VIRTIS est le spectromètre visible-infrarouge de Rosetta. Sa composante d’imagerie spectrale, VIRTIS-M, permet d’avoir accès à la dimension spatiale tout en bénéficiant d’une résolution spectrale modérée tandis que VIRTIS-H est un spectromètre ponctuel bénéficiant d’une plus grande résolution spectrale. Mon travail a reposé sur le traitement et l’analyse des données de ces instruments et se découpe en deux parties concentrées sur l’étude de la surface du noyau.La première est une analyse des paramètres spectraux et photométriques : albédo, pente spectrale, direction principale de la diffusion de la lumière par les particules, rugosité macroscopique. Dans une étude globale, j’ai mis en évidence les variations spatiales de certains de ces paramètres ; comparé les résultats issus de différents modèles ainsi que des deux instruments. J’ai ensuite déterminé localement ces paramètres, soulignant des différences selon le type de terrains ciblé. Ces études permettent de mieux comprendre les mécanismes liés à l’activité (dépôt/soulèvement de poussières, altération spatiale, variations de la teneur en glace) ou aux variations des propriétés de la surface (composition, texture).Le deuxième enjeu de cette thèse était de reproduire en laboratoire les observations réalisées par VIRTIS, et ce afin d’apporter des contraintes sur la composition et la texture de la surface. En collaboration avec l’IPAG de Grenoble j’ai donc mené des expériences consistant à produire des poudres très fines constituées de matériaux similaires à ceux que l’on suspecte d’être présents sur le noyau de 67P : matière organique (imitée par un charbon), silicates (olivine) et sulfures de fer (pyrite et pyrrhotite) sont ainsi tous observés dans les comètes ou leurs analogues. Je les ai ici broyés à des échelles micrométriques à nanométriques puis j’ai réalisé des mesures en réflectance dans la même gamme spectrale que VIRTIS. J’ai pu ainsi étudier les effets provoqués par les variations de la taille des grains, de la composition ou de la texture du mélange, mettant en avant des combinaisons reproduisant le spectre moyen de la comète. De manière générale, cette étude permet de mieux comprendre l’influence de matériaux rarement étudiés comme les sulfures de fer ainsi que le comportement spectral de poudres dont la taille des grains atteint un ordre de grandeur proche de celle de la longueur d’onde, ce qui est primordial dans l’étude des surfaces cométaires.

During the Solar System formation, 4.6 billion years ago, comets accreted materials which have been transformed according to the physical and dynamical conditions of the accretion disk. They also accreted a part of components coming from the interstellar medium. By preserving a primordial composition, the study of comets allows us to better understand the conditions of the proto-planetary disk surrounding the young Sun of an epoch which is now inaccessible. Moreover, it consists also to understand the various comets populations, their formation process, dynamical and activity evolution as they inward and outward the Sun or their structure.The ESA/Rosetta mission followed the comet 67P/Churyumov-Gerasimenko for two years. A ten of instruments has been dedicated to the study of the evolution of its activity, gas release, surface morphology, dust and other objectives. VIRTIS is a visible/infrared spectrometer instrument. It is composed of VIRTIS-M, an imaging spectrometer which gives access to spatial information with moderate spectral resolution and VIRTIS-H, a point spectrometer with a higher spectral resolution. This study is based on the data analysis of VIRTIS instruments and is divided into two parts focused on the study of the nucleus surface. The first part is an analysis of the spectral and photometric parameters: albedo, spectral slope, the main direction of the light diffusion by particles, macroscopic roughness. In a global study, I highlighted the spatial variations of albedo and spectral slope; compared results derived from different models as well as from both instruments. Then, I determined these parameters locally, revealing differences between two types of terrains. This approach allows to better understand the mechanisms linked to the activity (dust drop-off/uprising, space weathering, ice content variation) and also to the surface properties (composition, texture). The second goal of the thesis is to reproduce in the laboratory the observations realized by VIRTIS to give constraints on the composition and texture of the surface. In collaboration with IPAG (Grenoble, France) I led experiments consisting of the production of very fine powders made of materials which look like those we suspect to be present on the nucleus of 67P: organic matter (mimicked by a coal), silicates (olivine) and iron sulfides (pyrite and pyrrhotite) are all observed on comets or their analogues. I ground them to micrometric to nanometric scales and I realized reflectance measurements in the same spectral range than VIRTIS. Then, I have been able to observe effects caused by the variations of the grain size, composition or texture of the mixture and to highlight combinations reproducing the mean comet VIRTIS spectrum. Finally, this work enables us understanding the influence of material poorly studied such as iron sulfides as well as the spectral behaviour of powders composed of grain sizes reaching an order of magnitude close to the wavelengths, which is essential in the study of cometary surfaces., Lors de leur formation il y a 4,6 milliards d’années, les comètes ont intégré des matériaux transformés selon les conditions physiques et dynamiques du disque d’accrétion mais aussi une part de composés issus du milieu interstellaire. Parce qu’elles ont préservé leurs propriétés, étudier les comètes permet de mieux comprendre les conditions régnant dans le disque proto-planétaire entourant le jeune Soleil à une époque qui nous est inaccessible. Cela permet également de comprendre les différentes populations de comètes, leur processus de formation, leurs évolutions dynamiques, leur activité lorsqu’elles s’approchent du Soleil ou encore leur structure. La sonde européenne Rosetta a accompagné la comète 67P/Churyumov-Gerasimenko pendant deux ans. À son bord, une dizaine d’instruments ont permis d’étudier l’évolution de son activité, les gaz, la morphologie de surface ou les poussières parmi d’autres objectifs. VIRTIS est le spectromètre visible-infrarouge de Rosetta. Sa composante d’imagerie spectrale, VIRTIS-M, permet d’avoir accès à la dimension spatiale tout en bénéficiant d’une résolution spectrale modérée tandis que VIRTIS-H est un spectromètre ponctuel bénéficiant d’une plus grande résolution spectrale. Mon travail a reposé sur le traitement et l’analyse des données de ces instruments et se découpe en deux parties concentrées sur l’étude de la surface du noyau. La première est une analyse des paramètres spectraux et photométriques : albédo, pente spectrale, direction principale de la diffusion de la lumière par les particules, rugosité macroscopique. Dans une étude globale, j’ai mis en évidence les variations spatiales de certains de ces paramètres ; comparé les résultats issus de différents modèles ainsi que des deux instruments. J’ai ensuite déterminé localement ces paramètres, soulignant des différences selon le type de terrains ciblé. Ces études permettent de mieux comprendre les mécanismes liés à l’activité (dépôt/soulèvement de poussières, altération spatiale, variations de la teneur en glace) ou aux variations des propriétés de la surface (composition, texture). Le deuxième enjeu de cette thèse était de reproduire en laboratoire les observations réalisées par VIRTIS, et ce afin d’apporter des contraintes sur la composition et la texture de la surface. En collaboration avec l’IPAG de Grenoble j’ai donc mené des expériences consistant à produire des poudres très fines constituées de matériaux similaires à ceux que l’on suspecte d’être présents sur le noyau de 67P : matière organique (imitée par un charbon), silicates (olivine) et sulfures de fer (pyrite et pyrrhotite) sont ainsi tous observés dans les comètes ou leurs analogues. Je les ai ici broyés à des échelles micrométriques à nanométriques puis j’ai réalisé des mesures en réflectance dans la même gamme spectrale que VIRTIS. J’ai pu ainsi étudier les effets provoqués par les variations de la taille des grains, de la composition ou de la texture du mélange, mettant en avant des combinaisons reproduisant le spectre moyen de la comète. De manière générale, cette étude permet de mieux comprendre l’influence de matériaux rarement étudiés comme les sulfures de fer ainsi que le comportement spectral de poudres dont la taille des grains atteint un ordre de grandeur proche de celle de la longueur d’onde, ce qui est primordial dans l’étude des surfaces cométaires.

During the Solar System formation, 4.6 billion years ago, comets accreted materials which have been transformed according to the physical and dynamical conditions of the accretion disk but also a part of components coming from the interstellar medium. By preserving a primordial composition, the study of comets allows us to better understand the conditions of the proto-planetary disk surrounding the young Sun of an epoch which is now inaccessible. Moreover, it consists also to understand the various comets populations, their formation process, dynamical and activity evolution as they inward and outward the Sun or their structure.The ESA/Rosetta mission followed the comet 67P/Churyumov-Gerasimenko during two years. A ten of instruments has been dedicated to the study of the evolution of its activity, gas release, surface morphology, dust and other objectives. VIRTIS is a visible/infrared spectrometer instrument. It is composed of VIRTIS-M, an imaging spectrometer which gives access to spatial information with moderate spectral resolution and VIRTIS-H, a point spectrometer with a higher spectral resolution. This study is based on the data analysis of VIRTIS instruments and is divided into two parts focused on the study of the nucleus surface.The first part is an analysis of the spectral and photometric parameters: albedo, spectral slope, the main direction of the light diffusion by particles, macroscopic roughness. In a global study, I highlighted the spatial variations of albedo and spectral slope; compared results derived from different models as well as from both instruments. Then, I determined these parameters locally, revealing differences between two types of terrains. This approach allows to better understand the mechanisms linked to the activity (dust drop-off/uprising, space weathering, ice content variation) and also to the surface properties (composition, texture).The second goal of the thesis is to reproduce in the laboratory the observations realized by VIRTIS to give constraints on the composition and texture of the surface. In collaboration with IPAG (Grenoble, France) I led experiments consisting of the production of very fine powders made of materials which look like those we suspect to be present on the nucleus of 67P: organic matter (mimicked by a coal), silicates (olivine) and iron sulfides (pyrite and pyrrhotite) are all observed on comets or their analogues. I ground them to micrometric to nanometric scales and I realized reflectance measurements in the same spectral range than VIRTIS. Then, I have been able to observe effects caused by the variations of the grain size, composition or texture of the mixture and to highlight combinations reproducing the mean comet VIRTIS spectrum. Finally, this work enables us understanding the influence of material poorly studied such as iron sulfides as well as the spectral behaviour of powders composed of grain sizes reaching an order of magnitude close to the wavelengths, which is essential in the study of cometary surfaces.; Lors de leur formation il y a 4,6 milliards d’années, les comètes ont intégré des matériaux transformés selon les conditions physiques et dynamiques du disque d’accrétion mais aussi une part de composés issus du milieu interstellaire. Parce qu’elles ont préservé leurs propriétés, étudier les comètes permet de mieux comprendre les conditions régnant dans le disque proto-planétaire entourant le jeune Soleil à une époque qui nous est inaccessible. Cela permet également de comprendre les différentes populations de comètes, leur processus de formation, leurs évolutions dynamiques, leur activité lorsqu’elles s’approchent du Soleil ou encore leur structure.La sonde européenne Rosetta a accompagné la comète 67P/Churyumov-Gerasimenko pendant deux ans. À son bord, une dizaine d’instruments ont permis d’étudier l’évolution de son activité, les gaz, la morphologie de surface ou les poussières parmi d’autres objectifs. VIRTIS est le spectromètre visible-infrarouge de Rosetta. Sa composante d’imagerie spectrale, VIRTIS-M, permet d’avoir accès à la dimension spatiale tout en bénéficiant d’une résolution spectrale modérée tandis que VIRTIS-H est un spectromètre ponctuel bénéficiant d’une plus grande résolution spectrale. Mon travail a reposé sur le traitement et l’analyse des données de ces instruments et se découpe en deux parties concentrées sur l’étude de la surface du noyau.La première est une analyse des paramètres spectraux et photométriques : albédo, pente spectrale, direction principale de la diffusion de la lumière par les particules, rugosité macroscopique. Dans une étude globale, j’ai mis en évidence les variations spatiales de certains de ces paramètres ; comparé les résultats issus de différents modèles ainsi que des deux instruments. J’ai ensuite déterminé localement ces paramètres, soulignant des différences selon le type de terrains ciblé. Ces études permettent de mieux comprendre les mécanismes liés à l’activité (dépôt/soulèvement de poussières, altération spatiale, variations de la teneur en glace) ou aux variations des propriétés de la surface (composition, texture).Le deuxième enjeu de cette thèse était de reproduire en laboratoire les observations réalisées par VIRTIS, et ce afin d’apporter des contraintes sur la composition et la texture de la surface. En collaboration avec l’IPAG de Grenoble j’ai donc mené des expériences consistant à produire des poudres très fines constituées de matériaux similaires à ceux que l’on suspecte d’être présents sur le noyau de 67P : matière organique (imitée par un charbon), silicates (olivine) et sulfures de fer (pyrite et pyrrhotite) sont ainsi tous observés dans les comètes ou leurs analogues. Je les ai ici broyés à des échelles micrométriques à nanométriques puis j’ai réalisé des mesures en réflectance dans la même gamme spectrale que VIRTIS. J’ai pu ainsi étudier les effets provoqués par les variations de la taille des grains, de la composition ou de la texture du mélange, mettant en avant des combinaisons reproduisant le spectre moyen de la comète. De manière générale, cette étude permet de mieux comprendre l’influence de matériaux rarement étudiés comme les sulfures de fer ainsi que le comportement spectral de poudres dont la taille des grains atteint un ordre de grandeur proche de celle de la longueur d’onde, ce qui est primordial dans l’étude des surfaces cométaires.

After a ten-year journey, the European spacecraft Rosetta arrived at comet 67P/Churyumov-Gerasimenko (67P/C-G) on August 6, 2014. In order to conduct intensive research for twenty six months, a total of 21 instruments were on board the Rosetta orbiter and the Philae lander.The time-of-flight secondary ions mass spectrometer, COSIMA (COmetary Secondary Ions Mass Analyzer), was one of the orbiter instruments and was designed for in situ analysis of the chemical composition of cometary particles ejected from the comet 67P/C-G. This thesis aims to characterize the refractory organic component of the cometary dust, with the COSIMA instrument.As part of this work, I have developed and applied a methodology to analyze the cometary mass spectra, more specifically in the positive mode of the instrument. Using this methodology, five organic ions of cometary origin were detected and identified: C+ (m/z = 12.00), CH+ (m/z = 13.01), CH2+ (m/z = 14.02), CH3+ (m/z = 15.02) and C2H3+ (m/z = 27.02).The characterization of this organic component has been carried out with calibration mass spectra. The reference compounds used during this thesis include pure organic molecules and cometary organic matter analogs, such as natural samples (carbonaceous chondrites, ultracarbonaceous micrometeorite, insoluble organic matter extracted from carbonaceous chondrites) and one sample synthetized in the laboratory. The best analogue found so far to the refractory component of 67P/C-G particles is the insoluble organic matter extracted from carbonaceous chondrites. The cometary organic matter would be of high-molecular-weight and the carbon bounded in very large macromolecular compounds.Carbon is also one of the most abundant element in the dust particles with an elemental ratio of C⁄Si = 5,5 +1.4⁄-1.2. Comet 67P/C-G is among the most carbon-rich bodies of the solar system.Finally, a specific compound was sought, the polyoxymethylene. However, indicators developed and applied to the cometary data do not allow to conclude on the presence of polyoxymethylene in the particles analyzed by COSIMA., La sonde spatiale européenne Rosetta, après un voyage de dix années, a rejoint le 6 août 2014 son objet d’étude, la comète 67P/Churyumov-Gerasimenko (67P/C-G). Afin de l’étudier de manière intensive durant vingt-six mois, un total de 21 instruments était embarqué sur l’orbiteur Rosetta et l’atterrisseur Philae.Le spectromètre de masse d’ions secondaires à temps de vol, COSIMA (COmetary Secondary Ions Mass Analyzer), était l’un des instruments de l’orbiteur et a été conçu pour analyser in situ la composition chimique des particules solides éjectées de la comète 67P/C-G. L’objectif de cette thèse est de caractériser la composante organique réfractaire contenue dans les poussières cométaires, à l’aide de l’instrument COSIMA.Dans le cadre de ces travaux, j’ai mis au point au point et appliqué une méthodologie pour analyser les spectres de masse cométaires, plus particulièrement dans le mode positif de l’instrument. À l’aide de cette méthodologie, cinq ions organiques d’origine cométaire ont été détectés et identifiés : C+ (m/z = 12,00), CH+ (m/z = 13,01), CH2+ (m/z = 14,02), CH3+ (m/z = 15,02) et C2H3+ (m/z = 27,02).La caractérisation de cette composante organique a été effectuée à l’aide de spectres de masse de calibration. Les composés de référence utilisés dans ces travaux de thèse incluent des molécules organiques pures et des analogues de la matière organique cométaire, tels que des échantillons naturels (des météorites carbonées, une micrométéorite ultracarbonée, de la matière organique insoluble extraite de météorites carbonées) et un échantillon synthétisé en laboratoire. La matière organique insoluble extraite des chondrites carbonées est, à ce jour, le meilleur analogue à la matière organique réfractaire contenue dans les particules de 67P/C-G. Ainsi, la matière organique cométaire serait de haut poids moléculaire et le carbone lié dans de grandes structures macromoléculaires.Le carbone est également l’un des éléments les plus abondants dans les particules avec un rapport C⁄Si = 5,5 +1,4⁄-1,2. La comète 67P/C-G figure ainsi parmi les corps les plus riches en carbone du système solaire.Enfin, un composé spécifique a été recherché, le polyoxyméthylène. Cependant, les indicateurs développés et appliqués aux données cométaires ne permettent pas de conclure quant à sa présence dans les particules analysées par COSIMA.

This thesis has been prepared in the frame of the time of flight secondary ions mass spectrometry experiment called COSIMA on board the ESA's Rosetta cometary mission. This instrument will collect and measure the chemical nature of the grains of the comet 67P/Churyumov-Gerasimenko. The aim of my thesis is to prepare and facilitate the interpretation of mass spectra of COSIMA, especially their refractory organic component. Therefore, the mass spectra of two families of pure compounds (nitrogen heterocycles and carboxylic acids) have been measured with a laboratory instrument tailor-made to have instrumental characteristics similar to those of COSIMA.. We have established that those data can be considered as reference mass spectra to be used by the COSIMA team. This database has been a starting point for the search for markers to distinguish molecules composed of specific atoms. Two markers have been found. Nevertheless they should be handled with caution because of bias that can be induced by the presence of minerals in grains or contaminants on the targets. Cometary organic matter analogs have also been analyzed. These measurements show that the spectra collected with COSIMA can have significant biases. Identification of HCN polymers is compromised. However, the analysis of a grain from the Murchison meteorite shows that the distinction between inorganic and organic compounds is feasible. In addition, the signatures of key compounds such as hexamethylenetetramine or polyoxymethylene (POM) are clearly identifiable in the positive mode of the instrument. Since the POM is thermally unstable, a kinetic study of its thermal degradation has been carried out to constrain the operational strategy to be adopted for its detection. To maximize the chances to detect it in the cometary grains, analyses by COSIMA must be made within fifteen days after the collection of grains.; Cette thèse s'inscrit dans le cadre de l'expérience de spectrométrie de masse d'ions secondaires à temps de vol, COSIMA, se trouvant à bord de la mission européenne cométaire Rosetta. Cet instrument a pour vocation de collecter puis de mesurer la nature chimique des grains de la comète 67P/Churyumov-Gerasimenko. L'objectif de ma thèse est de préparer et de faciliter l'interprétation des spectres de masse de COSIMA, et plus particulièrement de leur composante organique réfractaire. Pour cela, à partir d'un instrument de laboratoire conçu spécialement pour présenter des caractéristiques instrumentales similaires à COSIMA, les spectres de masse de deux familles de composés purs (hétérocycles azotés et acides carboxyliques) ont été mesurés. Ces données ont été qualifiées en tant que spectres de masse de référence utilisables par l'équipe COSIMA. Cette base de données est le point de départ de la recherche de marqueurs permettant la distinction des molécules constituées d'atomes particuliers. Deux marqueurs ont été trouvés. Néanmoins ils sont à manipuler avec prudence compte tenu des biais pouvant être induits par la présence de minéraux au sein des grains ou de contaminants sur les cibles d'analyse. L'analyse d'analogues de la matière organique cométaire a également été effectuée. Il en ressort que les mesures réalisées avec COSIMA peuvent présenter des biais importants. L'identification des polymères de HCN en est d'ailleurs compromise. Toutefois, l'analyse d'un grain de la météorite de Murchison montre que la distinction entre les composantes minérale et organique est facilement réalisable. De plus, les signatures de composés clés comme l'hexaméthylènetétramine ou le polyoxyméthylène (POM) sont clairement identifiables dans le mode positif de l'instrument. Le POM étant thermiquement instable, une étude cinétique de sa dégradation thermique a été réalisée en vue de contraindre la stratégie opérationnelle à adopter pour sa détection. Pour maximiser les chances de le détecter dans les grains cométaires, les analyses par COSIMA doivent être effectuées dans les quinze jours après la collecte des grains.

This thesis has been prepared in the frame of the time of flight secondary ions mass spectrometry experiment called COSIMA on board the ESA's Rosetta cometary mission. This instrument will collect and measure the chemical nature of the grains of the comet 67P/Churyumov-Gerasimenko. The aim of my thesis is to prepare and facilitate the interpretation of mass spectra of COSIMA, especially their refractory organic component. Therefore, the mass spectra of two families of pure compounds (nitrogen heterocycles and carboxylic acids) have been measured with a laboratory instrument tailor-made to have instrumental characteristics similar to those of COSIMA.. We have established that those data can be considered as reference mass spectra to be used by the COSIMA team. This database has been a starting point for the search for markers to distinguish molecules composed of specific atoms. Two markers have been found. Nevertheless they should be handled with caution because of bias that can be induced by the presence of minerals in grains or contaminants on the targets. Cometary organic matter analogs have also been analyzed. These measurements show that the spectra collected with COSIMA can have significant biases. Identification of HCN polymers is compromised. However, the analysis of a grain from the Murchison meteorite shows that the distinction between inorganic and organic compounds is feasible. In addition, the signatures of key compounds such as hexamethylenetetramine or polyoxymethylene (POM) are clearly identifiable in the positive mode of the instrument. Since the POM is thermally unstable, a kinetic study of its thermal degradation has been carried out to constrain the operational strategy to be adopted for its detection. To maximize the chances to detect it in the cometary grains, analyses by COSIMA must be made within fifteen days after the collection of grains., Cette thèse s'inscrit dans le cadre de l'expérience de spectrométrie de masse d'ions secondaires à temps de vol, COSIMA, se trouvant à bord de la mission européenne cométaire Rosetta. Cet instrument a pour vocation de collecter puis de mesurer la nature chimique des grains de la comète 67P/Churyumov-Gerasimenko. L'objectif de ma thèse est de préparer et de faciliter l'interprétation des spectres de masse de COSIMA, et plus particulièrement de leur composante organique réfractaire. Pour cela, à partir d'un instrument de laboratoire conçu spécialement pour présenter des caractéristiques instrumentales similaires à COSIMA, les spectres de masse de deux familles de composés purs (hétérocycles azotés et acides carboxyliques) ont été mesurés. Ces données ont été qualifiées en tant que spectres de masse de référence utilisables par l'équipe COSIMA. Cette base de données est le point de départ de la recherche de marqueurs permettant la distinction des molécules constituées d'atomes particuliers. Deux marqueurs ont été trouvés. Néanmoins ils sont à manipuler avec prudence compte tenu des biais pouvant être induits par la présence de minéraux au sein des grains ou de contaminants sur les cibles d'analyse. L'analyse d'analogues de la matière organique cométaire a également été effectuée. Il en ressort que les mesures réalisées avec COSIMA peuvent présenter des biais importants. L'identification des polymères de HCN en est d'ailleurs compromise. Toutefois, l'analyse d'un grain de la météorite de Murchison montre que la distinction entre les composantes minérale et organique est facilement réalisable. De plus, les signatures de composés clés comme l'hexaméthylènetétramine ou le polyoxyméthylène (POM) sont clairement identifiables dans le mode positif de l'instrument. Le POM étant thermiquement instable, une étude cinétique de sa dégradation thermique a été réalisée en vue de contraindre la stratégie opérationnelle à adopter pour sa détection. Pour maximiser les chances de le détecter dans les grains cométaires, les analyses par COSIMA doivent être effectuées dans les quinze jours après la collecte des grains.

In the context of optimizing plant tests for polluted soil materials bioassessment, the objectives of this thesis were firstly the development of two genotoxicity tests on the secondary roots of a plant model, the broad bean Vicia faba. The first test was the micronucleus assay and gave promising results that lead to an international ISO standardizing process. The second test named comet assay and brought us less encouraging results because of problems with feasibility and precision. .To improve our knowledge about the consequences of micronuclei formation on plant life cycle, we studied life-history traits of beans developing from germination in a soil containing a sufficient quantity of genotoxic (cadmium, copper and maleic hydrazide) to induce micronuclei without provoking short-term (48h) growth retardation. The obtained results evoked a link between micronuclei presence after 48h and plant life cycle change or impairments.Besides, the micronucleus assay was applied among other assays or biomarkers to evaluate ecotoxicity of liquid or solid contaminated matrix. As part of the French Scientific Interest Group on Industrial Wasteland (GISFI), we evaluated the genotoxicity of soils polluted by a former coke-factory. Furthermore, we took part to the project ?Ecotoxicity of nanomaterial alteration byproducts?, also called Nanoalter. Our goal was to assess the potential hazards attached to the environmental degradation of titanium dioxide-containing sunscreen nanocomposites. Then, the tolerance mechanisms of plants towards chemicals were studied by phytochelatins and oxidative stress enzymes measurements., Dans le cadre de la bioévaluation de matrices polluées, les objectifs de cette thèse ont d'abord été de mettre au point deux tests de génotoxicité sur les racines secondaires de la fève Vicia faba. D'abord, le test des micronoyaux, dont les résultats prometteurs ont permis l?initiation d'un processus de normalisation internationale par l'ISO. Ensuite, l?essai des comètes, avec des résultats moins encourageants en termes de faisabilité et de précision. Nous avons également tenté d'éclaircir les conséquences de la formation de micronoyaux sur le cycle de vie de la plante. Les résultats obtenus avec le cadmium, le cuivre et l'hydrazide maléique suggèrent un lien entre la présence de micronoyaux à court terme et une modification à long terme des traits d?histoire de vie de la plante. Le test des micronoyaux a aussi été appliqué parmi d'autres biomarqueurs pour évaluer l?écotoxicité de matrices contaminées, liquides ou solides. Dans le cadre du Groupement d?Intérêt Scientifique pour les Friches Industrielles (GISFI), nous avons évalué la génotoxicité de sols pollués par d?anciennes activités de cokerie. Nous avons également participé au projet « Ecotoxicité des sous-produits d?altération de Nanomatériaux » (Nanoalter), dans le cadre duquel nous avons évalué les dangers potentiels posés par la dégradation dans l?environnement de crèmes solaires comprenant des nanoparticules de dioxyde de titane. Enfin, les mécanismes de tolérance des plantes aux toxiques ont été étudiés par le dosage des phytochélatines et des enzymes du stress oxydant.

Antarctic micrometeorites (AMMs) represents large cosmic dust, sampling the primitive materials formed in the solar system. Two new families of AMMs, well preserved by the terrestrial weathering have been identified in the 2006 CONCORDIA collection: (i) the Fine-grained Fluffy (FgF) particles, and (ii) the Ultracarbonaceous Antarctic Micrometeorites (UCAMMs). The first ones, FgFs present similar characteristics with the interplanetary dust particles (IDPs). UCAMMs are exceptionally rich in carbon (50-90 vol%). The characteristics of the AMMs were compared with the recent results obtained by the Stardust mission on the cometary samples. We performed mineralogical, petrological and isotopic studies of the AMMs. The degree of structural order of the carbonaceous material in AMMs were analysed by Raman spectroscopy. The results show that about 65% of AMMs contain a carbonaceous material with a high degree of disorder. The radical nitrile was identified in an UCAMM. The mineralogy of UCAMMs has been described by transmission electron microscopy to better understand the process of their formation and evolution. Generally, the minerals (olivine, pyroxene and iron sulphides) are usually present as aggregates, rarely as isolated minerals or objects with an igneous texture. Objects similar to GEMS (Glass with Embedded Metal and Sulphide) of IDPs have been identified in a UCAMM. The carbonaceous material identified in UCAMMs exhibits large enrichment in deuterium, up to 30 times the terrestrial value. The close association between the carbonaceous matter and the mineral component formed at high temperatures supports the idea of the presence of outward transport and mixing in the protoplanetary disk. The study of AMMs represents an exceptionally opportunity to study the primitive asteroid (carbonaceous chondrite) - comet continuum in the early solar nebula., Les micrométéorites antarctiques (MMAs) échantillonnent le matériel présent lors des premiers instants de la formation du système solaire. Deux nouvelles familles de MMAs, bien préservées de l'altération terrestre ont été identifiées dans la collection CONCORDIA 2006: (i) les MMAs à grain fin (FgF ¬- Fine-grained Fluffy), et (ii) les MMAs ultracarbonées (UCAMMs - Ultracarbonaceous Antarctic Micrometeorites). Les FgF présentent des caractéristiques similaires à celles des particules de poussières interplanétaires (IDPs). Les UCAMMs ont une composition exceptionnellement riche en carbone (50 à 90 vol%). Les caractéristiques des MMAs ont été comparées aux résultats récents obtenus par la mission de retour d'échantillons cométaires STARDUST. Les MMAs ont été caractérisées par des observations spectroscopiques, minéralogiques, pétrographiques et isotopiques. Le degré d'ordre structural de la matière carbonée des MMAs a été analysé par spectroscopie Raman. Les résultats montrent qu'environ 65% des MMAs contiennent une matière carbonée présentant un fort degré de désordre. Le radical nitrile a été identifié dans une UCAMM. La minéralogie des UCAMMs a été décrite par microscopie électronique à transmission, afin de mieux comprendre leur processus de formation et d'évolution. Les minéraux principaux (olivines, pyroxènes et sulfures de fer) sont généralement présents sous forme d'agrégats, rarement sous forme de minéraux isolés ou dans des objets présentant une texture ignée. Des objets similaires aux Glass with Embedded Metal and Sulphides des IDPs ont été identifiés dans une UCAMM. La matière carbonée de ces UCAMMs est très enrichie en deutérium, jusqu'à 30 fois la valeur terrestre. L'association d'une matière carbonée avec une composante minérale formée à haute température confirme la présence d'un mécanisme de transport dans le disque protoplanétaire. Les MMAs offrent une opportunité unique d'étudier le continuum astéroïde-comète.

La genese« Nous entendions parler des merveilles du Ciel que les Anglais, les Americains, les Russes decouvraient avec leurs telescopes geants. Nous aussi, nous parlions des satellites d’Uranus, mais sans les avoir jamais vus, des nebuleuses spirales, de ces amas merveilleux de soleils ou nous ne pouvions rien distinguer. En revanche, chez nous, l’astronomie theorique avait son plein essor ; heritiers des travaux de [Joseph] Lagrange, de [Pierre-Simon de] Laplace, de [Simeon] Poisson, le Bure...

This paper describes the first computations of dust distributions in the vicinity of an active cometary nucleus, using a multidimensional Direct Simulation Monte Carlo Method (DSMC). The physical model is simplistic: spherical grains of a broad range of sizes are liberated by H2O sublimation from a selection of nonrotating sunlit spherical nuclei, and submitted to the nucleus gravity, the gas drag, and the solar radiation pressure. The results are compared to those obtained by the previously described Dust Multi-Fluid Method (DMF) and demonstrate an excellent agreement in the regions where the DMF is usable. Most importantly, the DSMC allows the discovery of hitherto unsuspected dust coma properties in those cases which cannot be treated by the DMF. This leads to a thorough reconsideration of the properties of the near-nucleus dust dynamics. In particular, the results show that (1) none of the three forces considered here can be neglected a priori, in particular not the radiation pressure; (2) hitherto unsuspected new families of grain trajectories exist, for instance trajectories leading from the nightside surface to the dayside coma; (3) a wealth of balistic-like trajectories leading from one point of the surface to another point exist; on the dayside, such trajectories lead to the formation of “mini-volcanoes.” The present model and results are discussed carefully. It is shown that (1) the neglected forces (inertia associated with a nucleus rotation, solar tidal force) are, in general, not negligible everywhere, and (2) when allowing for these additional forces, a time-dependent model will, in general, have to be used. The future steps of development of the model are outlined.

NASA's Deep Impact spacecraft met its intended fate on 4 July this year when it collided with Comet Tempel 1 at a relative velocity of over 36,000 km per hour. Telescopes all around the world and beyond it were trained on the event in order to glean information about the internal structure of a comet. Results from OSIRIS cameras on ESA's Rosetta spacecraft provided continuous coverage from 3 days before to 10 days after the impact. The impact created a crater 60 metres in diameter and the nature of the debris points to the comet as an ‘icy dustball’ rather than the more familiar concept of a ‘dirty snowball’. Comets spend most of their life in a low-temperature environment far from the Sun. They are therefore relatively unprocessed and maintain information about the formation conditions of the planetary system, but the structure and composition of their nuclei are poorly understood. Although in situ1 and remote2 measurements have derived the global properties of some cometary nuclei, little is known about their interiors. The Deep Impact mission3 shot a projectile into comet 9P/Tempel 1 in order to investigate its interior. Here we report the water vapour content (1.5 × 1032 water molecules or 4.5 × 106 kg) and the cross-section of the dust (330 km2 assuming an albedo of 0.1) created by the impact. The corresponding dust/ice mass ratio is probably larger than one, suggesting that comets are ‘icy dirtballs’ rather than ‘dirty snowballs’ as commonly believed4. High dust velocities (between 110 m s-1 and 300 m s-1) imply acceleration in the comet's coma, probably by water molecules sublimated by solar radiation. We did not find evidence of enhanced activity of 9P/Tempel 1 in the days after the impact, suggesting that in general impacts of meteoroids are not the cause of cometary outbursts.

This Ph.D. work is an experimental and theoretical study of the contribution of the refractory organic component of comets to their gaseous phase. Some gaseous species observed in the coma, such as the formaldehyde (H2CO) and the cyanogen radicals (CN), are not only produced by the nucleus sublimation or the photodissociation of gaseous molecules. They could be produced by the degradation of the refractory organics materials present in cometary grains. The purpose of this Ph.D. work is to test this hypothesis. First, I have measured the quantum yields and the kinetics of production of gaseous species by UV irradiation and heating of solid organic compounds. Then, these data have been incorporated into a model of the cometary environment taking into account such processes. This existing model has also been improved to compare the calculations to recent measurements in comet Hale Bopp. HCN polymers and hexamethylenetetramine (HMT) have been proposed to explain the origin of CN radicals. I have irradiated in the far UV and heated theses compounds in conditions representative of the cometary environment. I show that the HMT is particularly stable under UV irradiation and that it sublimates without fragmentation into smaller gaseous compounds when heated under vacuum. Thus HMT does not seem to be a good candidate as a parent compound of the cometary CN radicals. Thus, I have concentrated my study on the degradation of HCN polymers. I show, by infrared spectroscopy, the production of HCN, CO, CH4 and C2H2 by irradiation of these polymers at 122 and 147 nm and the production of NH3, HCN, HNCO and CO by heating at temperatures ranging from 430 to 580 K. The production kinetics of all these gaseous species have been quantified thanks to the analysis of the temporal evolution of the infrared spectra. However, measurements by laser induced fluorescence (LIF) do not reach the detection limit required to allow the detection of CN radicals supposed to be produced by the degradation of the HCN polymers. Nevertheless, I have modeled the production of CN radical in the cometary environment supposing that their production from HCN polymer degradation is equal to the one measured for HCN. Whereas the column density could not be adequately reproduced, this hypothesis could not be rejected. Its confirmation requires further experimental studies.I have also continued a previous study of the H2CO production in cometary environment, adapting the modeling to the case of comet C/1995 O1 (Hale-Bopp). Indeed in this comet, the H2CO production rates display a much steeper evolution with heliocentric distance than other species of similar volatility, like HCN or H2S. First, I have obtained new experimental data on the thermal degradation of polyoxymethylene (POM) on a large temperature range and for two different polymers. Then, taking into account the POM degradation, I have reproduced the H2CO production rates in this comet and I have shown that their heliocentric evolution is due to the predominance of the thermal degradation of POM for heliocentric distance up to 3,5 UA. This work confirms that the POM degradation could explain the H2CO origin and that, whatever the considered heliocentric distance, the contribution of the refractory organic component to the gaseous phase of comets has to be taken into account.; Ce travail de thèse est une étude expérimentale et théorique de la contribution de la composante organique réfractaire des comètes à leur phase gazeuse. Certaines espèces gazeuses observées dans la coma, telles que le formaldéhyde (H2CO) et les radicaux cyanogènes (CN), ne sont pas produites uniquement par la sublimation du noyau ou par la photodissociation d'autres molécules gazeuses. Elles pourraient provenir de la dégradation de la composante organique réfractaire présente dans les grains cométaires. L'objectif de cette thèse est de tester cette hypothèse. Dans un premier temps, les rendements quantiques et les paramètres cinétiques de production d'espèces gazeuses par irradiation dans l'UV lointain et dégradation thermique de composés organiques solides sont déterminés expérimentalement. Dans un deuxième temps, un modèle physico-chimique de la coma, prenant en compte ces processus de dégradation, a été développé. Les polymères de HCN et l'hexaméthylènetétramine (ou HMT, C6H12N4) ayant été proposés afin d'expliquer l'origine des radicaux cyanogènes, j'ai irradié et chauffé ces composés solides dans des conditions représentatives de l'environnement cométaire. Je montre ainsi que l'hexaméthylènetétramine est particulièrement stable par irradiation dans l'UV lointain et que ce composé ne se dégrade pas mais se sublime lorsqu'il est chauffé sous vide. Le HMT ne semble donc pas être un bon candidat pour une source de radicaux CN dans l'environnement cométaire. Je me suis ensuite concentré sur l'étude de la dégradation des polymères de HCN. J'ai mis en évidence, par spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier (IRTF), la production de HCN, CO, CH4 et C2H2 par irradiation à 122 et 147 nm de ces polymères et celles de NH3, HCN, HNCO et CO par chauffage entre 430 et 580 K. La vitesse de production de l'ensemble de ces espèces gazeuses a été quantifiée grâce à l'analyse de l'évolution temporelle des spectres infrarouge. D'autre part, la mesure par spectroscopie de fluorescence induite par laser (LIF) n'a pas permis d'atteindre la limite de détection nécessaire pour détecter le radical CN à partir de la dégradation des polymères de HCN. J'ai donc modélisé la production des radicaux CN dans la coma en supposant que leur production est égale à celle mesurée pour l'acide cyanhydrique (HCN). Bien que la densité de colonne des radicaux CN ne puisse pas être fidèlement reproduite en prenant en compte la dégradation des polymères de HCN, cette hypothèse ne peut pas être infirmée. Sa confirmation nécessite des études expérimentales supplémentaires. En parallèle à ce travail sur la production des radicaux CN, j'ai poursuivi une étude précédemment menée au laboratoire afin d'expliquer la production de H2CO dans C/1995 O1 (Hale-Bopp). Dans cette comète, les taux de production de H2CO présentent une évolution héliocentrique plus rapide que celle d'autres composés gazeux similaires, tels que HCN ou H2S. J'ai tout d'abord obtenu de nouvelles données expérimentales concernant la dégradation thermique du polyoxyméthylène (polymère de H2CO, -(CH2-O)n-) dans une large gamme de température et pour deux types de polymères. Ceci me permet alors de reproduire les mesures des taux de production de H2CO dans cette comète et de montrer que l'évolution héliocentrique peut être expliquée par la prédominance de la production de H2CO par dégradation thermique du POM jusqu'à des distances de 3,5 UA. Ce travail confirme donc que la dégradation du POM permet d'expliquer l'origine du H2CO et que, quelle que soit la distance héliocentrique, la contribution de la phase organique réfractaire à la phase gazeuse des comètes doit être prise en compte.

This Ph.D. work is an experimental and theoretical study of the contribution of the refractory organic component of comets to their gaseous phase. Some gaseous species observed in the coma, such as the formaldehyde (H2CO) and the cyanogen radicals (CN), are not only produced by the nucleus sublimation or the photodissociation of gaseous molecules. They could be produced by the degradation of the refractory organics materials present in cometary grains. The purpose of this Ph.D. work is to test this hypothesis. First, I have measured the quantum yields and the kinetics of production of gaseous species by UV irradiation and heating of solid organic compounds. Then, these data have been incorporated into a model of the cometary environment taking into account such processes. This existing model has also been improved to compare the calculations to recent measurements in comet Hale Bopp. HCN polymers and hexamethylenetetramine (HMT) have been proposed to explain the origin of CN radicals. I have irradiated in the far UV and heated theses compounds in conditions representative of the cometary environment. I show that the HMT is particularly stable under UV irradiation and that it sublimates without fragmentation into smaller gaseous compounds when heated under vacuum. Thus HMT does not seem to be a good candidate as a parent compound of the cometary CN radicals. Thus, I have concentrated my study on the degradation of HCN polymers. I show, by infrared spectroscopy, the production of HCN, CO, CH4 and C2H2 by irradiation of these polymers at 122 and 147 nm and the production of NH3, HCN, HNCO and CO by heating at temperatures ranging from 430 to 580 K. The production kinetics of all these gaseous species have been quantified thanks to the analysis of the temporal evolution of the infrared spectra. However, measurements by laser induced fluorescence (LIF) do not reach the detection limit required to allow the detection of CN radicals supposed to be produced by the degradation of the HCN polymers. Nevertheless, I have modeled the production of CN radical in the cometary environment supposing that their production from HCN polymer degradation is equal to the one measured for HCN. Whereas the column density could not be adequately reproduced, this hypothesis could not be rejected. Its confirmation requires further experimental studies.I have also continued a previous study of the H2CO production in cometary environment, adapting the modeling to the case of comet C/1995 O1 (Hale-Bopp). Indeed in this comet, the H2CO production rates display a much steeper evolution with heliocentric distance than other species of similar volatility, like HCN or H2S. First, I have obtained new experimental data on the thermal degradation of polyoxymethylene (POM) on a large temperature range and for two different polymers. Then, taking into account the POM degradation, I have reproduced the H2CO production rates in this comet and I have shown that their heliocentric evolution is due to the predominance of the thermal degradation of POM for heliocentric distance up to 3,5 UA. This work confirms that the POM degradation could explain the H2CO origin and that, whatever the considered heliocentric distance, the contribution of the refractory organic component to the gaseous phase of comets has to be taken into account., Ce travail de thèse est une étude expérimentale et théorique de la contribution de la composante organique réfractaire des comètes à leur phase gazeuse. Certaines espèces gazeuses observées dans la coma, telles que le formaldéhyde (H2CO) et les radicaux cyanogènes (CN), ne sont pas produites uniquement par la sublimation du noyau ou par la photodissociation d'autres molécules gazeuses. Elles pourraient provenir de la dégradation de la composante organique réfractaire présente dans les grains cométaires. L'objectif de cette thèse est de tester cette hypothèse. Dans un premier temps, les rendements quantiques et les paramètres cinétiques de production d'espèces gazeuses par irradiation dans l'UV lointain et dégradation thermique de composés organiques solides sont déterminés expérimentalement. Dans un deuxième temps, un modèle physico-chimique de la coma, prenant en compte ces processus de dégradation, a été développé. Les polymères de HCN et l'hexaméthylènetétramine (ou HMT, C6H12N4) ayant été proposés afin d'expliquer l'origine des radicaux cyanogènes, j'ai irradié et chauffé ces composés solides dans des conditions représentatives de l'environnement cométaire. Je montre ainsi que l'hexaméthylènetétramine est particulièrement stable par irradiation dans l'UV lointain et que ce composé ne se dégrade pas mais se sublime lorsqu'il est chauffé sous vide. Le HMT ne semble donc pas être un bon candidat pour une source de radicaux CN dans l'environnement cométaire. Je me suis ensuite concentré sur l'étude de la dégradation des polymères de HCN. J'ai mis en évidence, par spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier (IRTF), la production de HCN, CO, CH4 et C2H2 par irradiation à 122 et 147 nm de ces polymères et celles de NH3, HCN, HNCO et CO par chauffage entre 430 et 580 K. La vitesse de production de l'ensemble de ces espèces gazeuses a été quantifiée grâce à l'analyse de l'évolution temporelle des spectres infrarouge. D'autre part, la mesure par spectroscopie de fluorescence induite par laser (LIF) n'a pas permis d'atteindre la limite de détection nécessaire pour détecter le radical CN à partir de la dégradation des polymères de HCN. J'ai donc modélisé la production des radicaux CN dans la coma en supposant que leur production est égale à celle mesurée pour l'acide cyanhydrique (HCN). Bien que la densité de colonne des radicaux CN ne puisse pas être fidèlement reproduite en prenant en compte la dégradation des polymères de HCN, cette hypothèse ne peut pas être infirmée. Sa confirmation nécessite des études expérimentales supplémentaires. En parallèle à ce travail sur la production des radicaux CN, j'ai poursuivi une étude précédemment menée au laboratoire afin d'expliquer la production de H2CO dans C/1995 O1 (Hale-Bopp). Dans cette comète, les taux de production de H2CO présentent une évolution héliocentrique plus rapide que celle d'autres composés gazeux similaires, tels que HCN ou H2S. J'ai tout d'abord obtenu de nouvelles données expérimentales concernant la dégradation thermique du polyoxyméthylène (polymère de H2CO, -(CH2-O)n-) dans une large gamme de température et pour deux types de polymères. Ceci me permet alors de reproduire les mesures des taux de production de H2CO dans cette comète et de montrer que l'évolution héliocentrique peut être expliquée par la prédominance de la production de H2CO par dégradation thermique du POM jusqu'à des distances de 3,5 UA. Ce travail confirme donc que la dégradation du POM permet d'expliquer l'origine du H2CO et que, quelle que soit la distance héliocentrique, la contribution de la phase organique réfractaire à la phase gazeuse des comètes doit être prise en compte.

The study of cometary nuclei is of paramount importance to understand the formation and the evolution of the solar system. This thesis presents several methods and models to determine their physical properties (radius, geometric albedo, thermal inertia and active surface fraction) from visible observations, infrared observations and water production rate, and to quantify the activity on their surface. We study the nucleus of comets Hale-Bopp (C/1995 O1), 55P/Tempel-Tuttle, 126P/IRAS, 103P/Hartley 2, 22P/Kopff, 46P/Wirtanen, IRAS-Araki-Alcock (C/1983 H1) and 2P/Encke, of Centaurs Chiron (2060) and Chariklo (1997 CU26), and of sungrazing comets. From this analysis, we find that: (i) the geometric albedo of Centaurs is 0.07-0.11 which is higher than the geometric albedo of LPC (Long Period Comets) and SPC (Short Period Comets) which is 0.04-0.07, (ii) a low albedo is not incompatible with the presence of water ice on the surface, (iii) the thermal inertia of the nucleus is low and is, L'étude des noyaux cométaires est primordiale pour comprendre la formation et l'évolution du système solaire. Cette thèse présente plusieurs méthodes et modèles pour déterminer leurs propriétés physiques (rayon, albédo géométrique, inertie thermique et fraction de surface active) à partir des observations visibles, infrarouges et des mesures de taux de production de l'eau, et pour quantifier l'activité à leur surface. Nous étudions le noyau des comètes Hale-Bopp (C/1995 O1), 55P/Tempel-Tuttle, 126P/IRAS, 103P/Hartley 2, 22P/Kopff, 46P/Wirtanen, IRAS-Araki-Alcock (C/1983 H1) et 2P/Encke, celui des Centaures Chiron (2060) et Chariklo (1997 CU26) et celui des comètes rasantes. De cette étude, il ressort que: (i) l'albédo géométrique des Centaures vaut 0.07-0.11 et est supérieur à celui des LPC (comètes à longue période) et des SPC (comètes à courte période) qui vaut 0.04-0.07, (ii) un albédo faible n'est pas incompatible avec la présence de glace d'eau en surface, (iii) l'inertie thermique du noyau est faible et vaut

The cometary chemical composition is of primary interest from the prebiotic chemistry and the solar system history points of view. This thesis presents the first step of a long term program aiming at determining the chemical composition of the cometary nucleus.Among the different approaches used up today, in situ analysis is the only one able to provide direct information about the cometary nucleus. That is the reason why we chose to use this approach by participating to the development of the COmetary Sampling And Composition experiment (COSAC). This is one among the experiments aboard the Rosetta probe which is dedicated to the analysis of a comet and of its environment. Taking into account the numerous compounds probably present in the cometary nucleus, and the robustness of this analytical technique, gas chromatography (GC) appears as the most suitable one for the identification and for the quantification of the species present in the cometary nucleus. Therefore, we developed a chromatographic sub-system that will be part of the COSAC experiment.The main work consisted in making the separative part of this system, composed of several columns connected in parallel. This part was developed in sight of the separation and the identification of a wide range of species of cometary interest initially identified, from the lightest compounds (noble gases) to high molecular weight organic species (PAH). With this aim, an experimental work was led to compare the analytical properties (selectivity, efficiency) of numerous candidate chromatographic columns, within the in situ temperature conditions (isothermal between 30°C and 60°C). This study, associated to the operating constraints (presence of water, low carrier gas consumption, columns robustness...) allowed to select and optimize the characteristics of 5 different chromatographic columns. This combination corresponds to the minimal number of columns to be used to reach the objectives of the chromatographic system.Once the columns were selected, they were submitted to the different constraints associated to the space instrumentation (vibrations, temperature cycles) and to the space environment (reduced pressure, radiation). This study enabled to show that the analytical properties of the system are not significantly modified compared with those observed at atmospheric outlet pressure, and that the gain of speed of analysis induced by the reduced outlet pressure is advantageous to decrease the time of analysis. Moreover, the optimal inlet column pressure can have been fixed (150 kPa). We also showed that the chromatographic system should allow to directly identify about 75% of the compounds initially targeted.Finally, the sensitivity of the system (columns+detector) was evaluated by measuring the minimal detectable amount of a compound present in the future analyzed samples. It was estimated to be in the range 10-11 mol and 10-12 mol, corresponding to a 1 ppm volume ratio in the most favorable case, when there is enough gaseous sample to completely fill the sampling loop. This last result enables to conclude that the system developed allow to analyze trace compounds present in the cometary nucleus, and that its sensitivity is greater than the one of the spectroscopic observations of the coma (about 0.1%).Beyond the experimental work performed for the chromatographic system development, we also showed that the coupling of a column with the preparative sampling techniques included in COSAC should enable to identify chemical species which cannot be analyzed by direct GC (amino acids), or to point out refractory compounds from their thermal degradation products (poly-HCN). Finally, we present the first steps of experimental and theoretical works developed in sight of the interpretation of the future data collected by the space experiment.; La composition chimique des comètes revêt un intérêt du point de vue de la chimie prébiotique, mais également de la formation et de l'évolution du système solaire. Cette thèse présente la première étape d'un programme de longue durée dont l'objectif final est la détermination de la composition chimique du noyau cométaire.Parmi les différentes méthodes employées jusqu'à aujourd'hui, l'analyse in situ est la seule capable de nous procurer des informations directes sur le noyau cométaire. C'est cette approche que nous avons choisi d'employer en contribuant à l'expérience COmetary Sampling And Composition (COSAC). Cette dernière fait partie des expériences embarquées dans la sonde Rosetta dédiée à l'analyse d'une comète et de son environnement. Compte tenu du nombre important de composés probablement présents dans le noyau cométaire et de la robustesse de cette technique analytique, la chromatographie en phase gazeuse (CPG) apparaît comme la plus appropriée pour l'identification et la quantification des composés présents dans le noyau cométaire. Nous avons donc développé un sous-système chromatographique qui fera partie intégrante de l'expérience COSAC.La principale tâche de ce travail a été de concevoir la partie séparative de ce système, constituée de colonnes chromatographiques connectées en parallèle. Cette partie a été développée en vue de la séparation et de l'identification d'une large gamme de composés d'intérêt cométaire initialement identifiés, allant des composés les plus légers (gaz nobles) jusqu'à des espèces organiques de poids moléculaire élevé (HAP). A cette fin, un travail expérimental a été mené pour comparer les propriétés analytiques (sélectivité, efficacité) des nombreuses colonnes chromatographiques candidates, dans les conditions de température in situ (isotherme comprise entre 30°C et 60°C). Cette étude, associée à la prise en compte de contraintes opératoires (présence d'eau, faible consommation de gaz vecteur, robustesse des colonnes...), a permis d'aboutir à la sélection et à l'optimisation des caractéristiques de 5 colonnes chromatographiques différentes. Cette combinaison correspond au nombre minimal de colonnes permettant de répondre aux objectifs du système chromatographique.Une fois les colonnes de l'expérience sélectionnées, elles ont été soumises aux différentes contraintes liées à l'instrumentation spatiale (vibrations, cycles de température) et à l'environnement spatial (pression réduite, radiations) pour tester leur robustesse. Les résultats montrent que les performances de ces colonnes ne sont affectées ni par ces tests, ni par la présence d'eau dans l'échantillon, prouvant ainsi leur capacité à être utilisées dans le système chromatographique.Ensuite, les performances réelles de ce système ont été évaluées à l'aide d'un outil de laboratoire reproduisant l'expérience COSAC (colonnes, détecteurs) et les conditions opératoires in situ (température, pression externe). Cette étude a permis de montrer que les propriétés analytiques du système ne sont pas significativement altérées comparativement à celles observées à pression atmosphérique en sortie de colonne, et que le gain de vitesse entraîné par la présence d'une pression réduite était bénéfique par la réduction du temps d'analyse. De plus, la pression en tête de colonne optimale de l'expérience a pu être fixée (150 kPa). Nous avons également montré que l'expérience devrait permettre d'identifier environ 75% des composés initialement ciblés.Enfin, la sensibilité du système (colonne+détecteur) a été évaluée en mesurant la quantité minimale détectable d'un composé présent dans un mélange analysé. Elle est comprise entre 10-11 mol et 10-12 mol, ce qui correspond à un rapport de volume de 1 ppm dans le cas le plus favorable où il y a suffisamment d'échantillon gazeux pour remplir complètement la boucle d'échantillonnage. Ce dernier résultat permet de conclure que le système développé permet l'analyse de composés traces présents dans le noyau cométaire et que sa sensibilité est plus importante que celle des observations spectroscopiques de la coma (environ 0,1%).Au delà du travail expérimental de mise en œuvre de ce système chromatographique, nous avons pu également montrer que le couplage d'une des colonnes avec les techniques préparatives des échantillons de COSAC devrait permettre d'analyser des espèces chimiques qui ne pouvaient pas l'être par CPG directe (acides aminés), ou de mettre en évidence des composés réfractaires à partir de leurs produits de dégradation thermique (poly-HCN). Enfin, nous présentons les premiers travaux expérimentaux et théoriques développés en vue de l'interprétation des futures données collectées par l'instrument de vol.

The cometary chemical composition is of primary interest from the prebiotic chemistry and the solar system history points of view. This thesis presents the first step of a long term program aiming at determining the chemical composition of the cometary nucleus.Among the different approaches used up today, in situ analysis is the only one able to provide direct information about the cometary nucleus. That is the reason why we chose to use this approach by participating to the development of the COmetary Sampling And Composition experiment (COSAC). This is one among the experiments aboard the Rosetta probe which is dedicated to the analysis of a comet and of its environment. Taking into account the numerous compounds probably present in the cometary nucleus, and the robustness of this analytical technique, gas chromatography (GC) appears as the most suitable one for the identification and for the quantification of the species present in the cometary nucleus. Therefore, we developed a chromatographic sub-system that will be part of the COSAC experiment.The main work consisted in making the separative part of this system, composed of several columns connected in parallel. This part was developed in sight of the separation and the identification of a wide range of species of cometary interest initially identified, from the lightest compounds (noble gases) to high molecular weight organic species (PAH). With this aim, an experimental work was led to compare the analytical properties (selectivity, efficiency) of numerous candidate chromatographic columns, within the in situ temperature conditions (isothermal between 30°C and 60°C). This study, associated to the operating constraints (presence of water, low carrier gas consumption, columns robustness...) allowed to select and optimize the characteristics of 5 different chromatographic columns. This combination corresponds to the minimal number of columns to be used to reach the objectives of the chromatographic system.Once the columns were selected, they were submitted to the different constraints associated to the space instrumentation (vibrations, temperature cycles) and to the space environment (reduced pressure, radiation). This study enabled to show that the analytical properties of the system are not significantly modified compared with those observed at atmospheric outlet pressure, and that the gain of speed of analysis induced by the reduced outlet pressure is advantageous to decrease the time of analysis. Moreover, the optimal inlet column pressure can have been fixed (150 kPa). We also showed that the chromatographic system should allow to directly identify about 75% of the compounds initially targeted.Finally, the sensitivity of the system (columns+detector) was evaluated by measuring the minimal detectable amount of a compound present in the future analyzed samples. It was estimated to be in the range 10-11 mol and 10-12 mol, corresponding to a 1 ppm volume ratio in the most favorable case, when there is enough gaseous sample to completely fill the sampling loop. This last result enables to conclude that the system developed allow to analyze trace compounds present in the cometary nucleus, and that its sensitivity is greater than the one of the spectroscopic observations of the coma (about 0.1%).Beyond the experimental work performed for the chromatographic system development, we also showed that the coupling of a column with the preparative sampling techniques included in COSAC should enable to identify chemical species which cannot be analyzed by direct GC (amino acids), or to point out refractory compounds from their thermal degradation products (poly-HCN). Finally, we present the first steps of experimental and theoretical works developed in sight of the interpretation of the future data collected by the space experiment., La composition chimique des comètes revêt un intérêt du point de vue de la chimie prébiotique, mais également de la formation et de l'évolution du système solaire. Cette thèse présente la première étape d'un programme de longue durée dont l'objectif final est la détermination de la composition chimique du noyau cométaire.Parmi les différentes méthodes employées jusqu'à aujourd'hui, l'analyse in situ est la seule capable de nous procurer des informations directes sur le noyau cométaire. C'est cette approche que nous avons choisi d'employer en contribuant à l'expérience COmetary Sampling And Composition (COSAC). Cette dernière fait partie des expériences embarquées dans la sonde Rosetta dédiée à l'analyse d'une comète et de son environnement. Compte tenu du nombre important de composés probablement présents dans le noyau cométaire et de la robustesse de cette technique analytique, la chromatographie en phase gazeuse (CPG) apparaît comme la plus appropriée pour l'identification et la quantification des composés présents dans le noyau cométaire. Nous avons donc développé un sous-système chromatographique qui fera partie intégrante de l'expérience COSAC.La principale tâche de ce travail a été de concevoir la partie séparative de ce système, constituée de colonnes chromatographiques connectées en parallèle. Cette partie a été développée en vue de la séparation et de l'identification d'une large gamme de composés d'intérêt cométaire initialement identifiés, allant des composés les plus légers (gaz nobles) jusqu'à des espèces organiques de poids moléculaire élevé (HAP). A cette fin, un travail expérimental a été mené pour comparer les propriétés analytiques (sélectivité, efficacité) des nombreuses colonnes chromatographiques candidates, dans les conditions de température in situ (isotherme comprise entre 30°C et 60°C). Cette étude, associée à la prise en compte de contraintes opératoires (présence d'eau, faible consommation de gaz vecteur, robustesse des colonnes...), a permis d'aboutir à la sélection et à l'optimisation des caractéristiques de 5 colonnes chromatographiques différentes. Cette combinaison correspond au nombre minimal de colonnes permettant de répondre aux objectifs du système chromatographique.Une fois les colonnes de l'expérience sélectionnées, elles ont été soumises aux différentes contraintes liées à l'instrumentation spatiale (vibrations, cycles de température) et à l'environnement spatial (pression réduite, radiations) pour tester leur robustesse. Les résultats montrent que les performances de ces colonnes ne sont affectées ni par ces tests, ni par la présence d'eau dans l'échantillon, prouvant ainsi leur capacité à être utilisées dans le système chromatographique.Ensuite, les performances réelles de ce système ont été évaluées à l'aide d'un outil de laboratoire reproduisant l'expérience COSAC (colonnes, détecteurs) et les conditions opératoires in situ (température, pression externe). Cette étude a permis de montrer que les propriétés analytiques du système ne sont pas significativement altérées comparativement à celles observées à pression atmosphérique en sortie de colonne, et que le gain de vitesse entraîné par la présence d'une pression réduite était bénéfique par la réduction du temps d'analyse. De plus, la pression en tête de colonne optimale de l'expérience a pu être fixée (150 kPa). Nous avons également montré que l'expérience devrait permettre d'identifier environ 75% des composés initialement ciblés.Enfin, la sensibilité du système (colonne+détecteur) a été évaluée en mesurant la quantité minimale détectable d'un composé présent dans un mélange analysé. Elle est comprise entre 10-11 mol et 10-12 mol, ce qui correspond à un rapport de volume de 1 ppm dans le cas le plus favorable où il y a suffisamment d'échantillon gazeux pour remplir complètement la boucle d'échantillonnage. Ce dernier résultat permet de conclure que le système développé permet l'analyse de composés traces présents dans le noyau cométaire et que sa sensibilité est plus importante que celle des observations spectroscopiques de la coma (environ 0,1%).Au delà du travail expérimental de mise en œuvre de ce système chromatographique, nous avons pu également montrer que le couplage d'une des colonnes avec les techniques préparatives des échantillons de COSAC devrait permettre d'analyser des espèces chimiques qui ne pouvaient pas l'être par CPG directe (acides aminés), ou de mettre en évidence des composés réfractaires à partir de leurs produits de dégradation thermique (poly-HCN). Enfin, nous présentons les premiers travaux expérimentaux et théoriques développés en vue de l'interprétation des futures données collectées par l'instrument de vol.

This PhD work is an experimental and theoretical study of the cometary organic refractory component contribution to the gaseous phase of comets. We present the reasons that explain the major interest arousing from these objects, mainly from the point of view of the organic chemistry which is one of the most complex ever encountered in the solar system (except on the Earth).From observations and experimental simulations we have made an inventory of all molecules present or suspected to be present in comets. This list has been the starting point of the selection process of chromatographic columns for the COSAC experiment on board the Rosetta mission. Our bibliographic work points out that a noticeable amount of the organic compounds of comets consists of high molecular weight molecules that don't sublime in the coma, but cover the dust particles emitted from the nucleus. We then put forward the hypothesis that refractory compounds might be degraded in the cometary environment by heat, UV and charged particles processes. We have built up an experimental set-up in order to study two of these mechanisms : photo and thermal degradation.The S.E.M.A.Ph.Or.E cométaire experiment allows to irradiate solid molecules in the far UV at a controlled temperature. We have studied the photodegradation of polyoxymethylene and shown that this polymer was degraded by UV of wavelengths under 190 nm mainly into H2CO and CO. We have also identified other photodegradation products : CO2, HCOOH, CH3OH, CH3OCHO, CH3OCH2OCH3 and C3H6O3. We have estimated for most of them their quantum yield of production and have proposed chemical mechanisms to explain their formation from the polymer. The thermal degradation rate (activation barrier, frequency factor) has also been measured.Then, we have been able to calculate the density profile of formaldehyde in the comet Halley, if polyoxymethylene is degraded by photo and thermal degradation, in order to estimate if this polymer is a good candidate to explain the extended source of H2CO. The first mechanism requires a dust production much higher than observed, but thermal degradation allows a good adjustment of our model to observations for cometary grains made of about 7 % of POM and warmed to a temperature of 350 K in the coma. Thus, we propose for the first time a mechanism which explains the formaldehyde extended source in realistic conditions of the cometary environment.We also present our first results obtained with another molecule which could also be present on comet and contribute to the CN extended source : hexamethylenetetramine. The photodegradation of this molecule is not very efficient, and we only detect a little production of HCN. The comparison of these results with previous works shows that it is important to consider interaction between the solid compound and the products of water photochemistry., Ce travail de thèse consiste en une étude expérimentale et théorique de la contribution de la composante organique réfractaire des comètes à la phase gazeuse. Nous présentons dans ce mémoire les différentes raisons qui expliquent l'intérêt majeur suscité par ces objets, et plus particulièrement du point de vue de la chimie organique qui pourrait y avoir atteint l'un des stades de complexité les plus avancés du système solaire après la Terre. A partir des observations et de simulations expérimentales, nous avons établi une compilation des molécules présentes sur les comètes ou susceptibles de l'être. Cette liste a été le point de départ du travail de sélection des colonnes chromatographiques qui seront embarquées à bord de la mission Rosetta dans le cadre de l'expérience COSAC. Ce travail bibliographique a aussi permis de rappeler qu'une fraction non négligeable de la composante organique des comètes se trouve sous la forme de molécules de poids moléculaire élevé qui ne subliment pas dans la coma, mais recouvrent les grains de poussière. Nous avons alors émis l'hypothèse que ces composés réfractaires pouvaient être dégradés dans l'environnement de la coma et produire des molécules volatiles sous l'action de la température, des UV solaires ou encore de particules énergétiques chargées. Nous avons donc conçu et mis en place un dispositif expérimental permettant d'étudier quantitativement deux de ces mécanismes : la photo et la thermodégradation.L'expérience S.E.M.A.Ph.Or.E Cométaire permet en effet d'irradier des composés solides à différentes longueurs d'onde dans l'UV lointain, tout en contrôlant leur température. Grâce à cet outil, nous avons pu étudier de façon approfondie la photodégradation du polyoxyméthylène. Nous avons montré que ce polymère se dégradait sous l'action des UV de longueur d'onde inférieure à environ 190 nm, principalement en H2CO et CO, deux molécules présentant des sources étendues dans les comètes. Nous avons aussi identifié d'autres produits de photodégradation : CO2, HCOOH, CH3OH, CH3OCHO, CH3OCH2OCH3 et C3H6O3. Nous avons obtenu pour une partie de ces molécules des estimations de leur rendement quantique de production et proposé des mécanismes réactionnels permettant de rendre compte de leur formation à partir du polyoxyméthylène. La vitesse de dégradation thermique du POM en formaldéhyde et les paramètres cinétiques permettant de calculer cette vitesse en fonction de la température (énergie d'activation et facteur de fréquence), ont été aussi déterminés.Nous avons donc alors pu modéliser le profil de densité du formaldéhyde dans la coma de la comète de Halley, par dégradation photochimique et thermique de grains de POM, afin d'estimer si ce composé est un bon candidat pour expliquer la source étendue de H2CO. Si le premier processus requiert une production de poussière irréaliste, la dégradation thermique du polymère permet un très bon ajustement du modèle aux observations pour des grains composés d'environ 7 % de POM et portés à une température de 350 K dans la coma. Nous proposons donc pour la première fois un mécanisme rendant compte de la source étendue de formaldéhyde dans des conditions réalistes de l'environnement cométaire.Nous présentons aussi les premiers résultats obtenus sur une molécule azotée susceptible elle aussi d'être présente sur les comètes et d'être à l'origine d'une source étendue de radicaux CN : l'hexaméthylènetétramine. La photodégradation de cette molécule n'est pas très efficace et nous n'avons pu mettre en évidence qu'une faible production de HCN. La confrontation de nos résultats à des travaux antérieurs tend à montrer qu'il est important de considérer l'interaction entre la molécule et les produits de photolyse de l'eau.

Cometary nuclei are among the most pristine bodies in the Solar System. They are almost impossible to observe directly. The study of the dynamics of the cometary fragments provide an indirect way to characterize them. The aim of this thesis is to contribute to the understanding of this phenomenon. Comet C/1996 B2 Hyakutake passed within 15 million kilometers of the Earth in March 1996. Bright condensations were observed in the near-nucleus coma, in the anti-solar direction. Observations coming from various observatories were gathered and processed in order to obtain the precise temporal evolution of the positions of bright condensations with respect to the nucleus. With the assumption that these condensations were due to icy cometary fragments, a model was developed for the dynamics of these fragments. Three forces were considered: the gravity of the Sun, their mutual gravity, and a non-gravitational force due to the sublimation of the water ice. The positions of the fragments were computed by a direct numerical integration of the relevant forces. An excellent agreement was obtained with the observations of comet Hyakutake, suggesting the existence of seven fragments. The products of their density and their radii are near 10000 kg.m-2. Their separation dates have been correlated to an outburst of the comet. The model was applied to comet 46P/Wirtanen, target of the space mission Rosetta. Trajectories of several thousands of hypothetical fragments were computed, and then statistically processed. It was shown that the probability of presence of a fragment in the coma is not isotropic. Recommendations were deduced in order to reduce the collisional risks., Il est admis que les noyaux cométaires sont parmi les objets les plus anciens du Système Solaire. Malheureusement, ils échappent à l'observation directe. L'étude de la dynamique des fragments cométaires constitue une méthode indirecte pour caractériser les noyaux. L'objet de cette thèse est de contribuer à la compréhension de la dynamique de ces fragments. La comète C/1996 B2 Hyakutake est passée à 15 millions de km de la Terre en mars 1996. Des condensations lumineuses ont été détectées dans sa coma interne, dans la direction anti-solaire. Des observations en provenance de divers observatoires ont été rassemblées, puis traitées afin de préciser l'évolution temporelle de la position des condensations par rapport au noyau. Avec l'hypothèse que ces condensations étaient dues à des fragments s'éloignant du noyau, un modèle a été développé pour la dynamique des fragments composés de glace et de poussières. Trois forces sont considérées: la gravité du Soleil, leur gravité mutuelle, et une force non-gravitationnelle due à la sublimation de la glace. Une intégration numérique directe des forces en présence permet de calculer les positions successives des fragments. Un excellent accord a été obtenu avec les observations de la comète Hyakutake, suggérant l'existence de sept fragments, dont les produits des masses volumiques et des rayons étaient de l'ordre de 10000 kg.m-2, et dont les dates de séparations ont pu être corrélés à un sursaut d'activité de la comète. Le modèle a été appliqué à la comète 46P/Wirtanen, cible de la mission spatiale Rosetta. Plusieurs milliers d'hypothétiques fragments ont été simulés, et leurs trajectoires traitées statistiquement. Il en ressort que la probabilité de présence d'un fragment dans la coma n'est pas isotrope. Des recommandations sont donc formulées pour réduire les risques de collision avec un fragment potentiel.

Cette thèse est consacrée à la résolution numérique des équations de la magnétohydrodynamique en vue de modéliser l'interaction du vent solaire avec des comètes ou des planètes non magnétisées. L'étude de ce type d'interaction passe par la prise en compte de certains phénomènes physiques, notamment des interactions onde-particule. ces processus sont modélisés au niveau microscopique de l'équation de Boltzmann par des opérateurs de collisions de type BGK. Des analyses asymptotiques ont été menées à divers échelles et permettent d'obtenir des systèmes d'équations sur les quantités macroscopiques du plasma étudié. Sous certaines hypothèses, on retrouve le système 1 fluide de la MHD. Un code numérique, pour la résolution du système hyperbolique des équations multi-dimensionnelles de la MHD idéale, de type volumes finis a été développé et s'applique à des maillages triangulaires (en 2D) et tétraédriques (en 3D) destructurés. Notre schéma vérifie une propriété de consistance faible avec la condition de divergence nulle du champ magnétique. Une nouvelle classe de solveurs de Riemann appelés "schémas polynomiaux décentrés" est développée. Divers cas tests ont permis de montrer leur efficacité. Une procédure de raffinement automatique de maillage a été implémentée et testée avec succès sur des cas de captures de choc stationnaires. Des premiers résultats 3D de l'interaction vent solaire-comète sont présentés. The thesis is devoted to the numerical resolution of the magnetohydrodynamic equations in order to simulate the interaction between the solar wind and comets or non magnetized planets. The mathematical modelling of physical phenomena like wave-particle interactions are necessary to study this kind of space plasmas problem. At the level of the Boltzmann equation, we introduce BCK collision operators. Then, several asymtotic analysis are performed for different scalings in order to obtain systems of equations for the macroscopic variable of the plasma we consider. Under several hypothesis, we recover the 1 fiuid MHD system. A numerical code has been developped for the resolution of the hyperbolic system of multidimensional ideal MI-ID equations. This code uses unstructured triangular grids (in 2D) and tetraedral grids (in 3D). Our scheme verifies a weak consistency property with the zero divergence condition of the magnetic field. A new methodology of Riemann solvers called “polynomial upwind schemes” has been developped. Several test cases has been performed in order to proove the efficiency of those schemes. Accuracy and low computational time for shock capturing problems are insured by an automatic refinement procedure. First results of the interaction between solar wind and comet with the 3D code are presented.

Fra gli osservatori delle comete del 1618 - la cui comparsa riaccese il dibattito scientifico sulla natura e il luogo di questi fenomeni celesti, dibattito che culminerà con la pubblicazione nel 1623 del Saggiatore di Galileo- ci fu anche Campanella. Grazie alla mitigata detenzione in Castel Nuovo, egli ebbe l'opportunità di osservare i cieli per tre notti fra la fine di novembre e l'inizio di dicembre. Il 22 dicembre egli invia a Paolo V un opuscolo sulle comete, che qui si pubblica per la prima volta con due lettere, anch'esse inedite, del 10 dicembre, indirizzate al duca Ferdinando Gonzaga e al medico Giovanni Fabri. Nell'opuscolo al papa Campanella sottolinea con forza come insoliti fenomeni celesti siano segni divini, il cui significato tocca al profeta decifrare e interpretare.

L'étoile beta Pictoris est à l'heure actuelle la seule étoile de la séquence principale autour de laquelle un disque de poussières a été visualise (1984). L'observation de son spectre visible et ultra-violet a révélé la présence de raies en absorption dues à la partie gazeuse du disque. L'étude de cette partie gazeuse a révélé que les raies observées variaient dans le temps: parfois, des composantes additionnelles en absorption, décalées par effet doppler vers les grandes longueurs d'onde y apparaissent. Ces phénomènes sporadiques ont été reliées à la chute vers l'étoile de petit corps de type comètaire vaporisant des éléments métalliques. La dynamique d'ions métalliques évaporés d'un corps parent a été ensuite etudiée, et une modélisation numerique du comportement d'un nuage de ces ions a été entreprise. La simulation a montré que les observations étaient reproduites par le modèle. De plus, la différence de comportement entre les raies visibles et uv a été expliquée. Des contraintes déduites de la simulation ont alors permis de formuler une hypothèse selon laquelle une planète située dans le disque pourrait par perturbations être responsable de la chute d'objets vers l'étoile. Un modèle fondé sur cette hypothèse a été ensuite développé. La simulation qui en a résulté a permis de montrer que si l'orbite de la planète est suffisamment elliptique, des perturbations sont capables d'envoyer un grand nombre de petits objets vers l'étoile. Il est ressorti de cette étude que l'évolution globale, constatée sur quelques années, des raies de beta Pictoris apparaissait comme une conséquence naturelle du modèle. En poursuivant l'étude théorique de ce disque, nous saurons peut-être s'il constitue le premier exemple de système planétaire découvert en dehors du système solaire, pas de résumé

When the comet approaches the Sun, the gravitational orbit of a comet is affected by the sublimation of water ice, a major component of the nucleus. This anisotropic outgassing produces a non-gravitational force that significantly changes the comet orbit. The amplitude of the perturbations depends on several parameters constrained by different observations such as astrometric and photometric data, or water production rates deduced from radio astronomy. Up to now, the modeling of these effects is mostly based on an empirical model defined in the early 70's by Marsden et al. (1973), using a simplified isotropic outgassing model. In this thesis, I developed a new physical approach to the problem of non-gravitational forces involving different physical parameters such as initial position and velocity, comet activity, direction of spin axis, mass of the nucleus and thus its density if the volume is known, a relevant parameter to understand the formation of comets. I was able to deduct their values by orbit adjustment, using photometric data. This work was applied to two comets: 19P/Borrelly for the development and the validation of my method and 67P/Churyumov-Gerasimenko the target of the European space agency mission Rosetta for which the knowledge of the mass is crucial.; 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.