Grains cométaires et évolution du système solaire primitif : analyses isotopiques de micrométéorites polaires cométaires – OGRESSE

Le programme OGRESSE propose de développer une technique d’imagerie isotopique utilisant l’émission ionique secondaire polyatomique pour ouvrir de nouvelles possibilités d’analyses isotopiques. Ce programme se fera grâce à l’utilisation à haute résolution en masse de la microsonde ionique NanoSIMS. C’est une configuration où cette machine est peu utilisée et un travail conséquent de développement analytique est nécessaire. Un gain substantiel en sensibilité est attendu dans le cas où l’espèce poly-atomique présente une affinité électronique supérieure à l’élément d’intérêt.
Les micrométéorites ultracarbonées donnent accès unique à l’association entre des silicates et de la matière organique provenant des régions les plus froides du disque protoplanétaire. La composition isotopique en éléments légers des différentes composantes des micrométéorites ultracarbonées sera comparée aux rapports isotopiques des différents réservoirs des objets du système solaire primitif (comètes, chondrites carbonées, chondrites ordinaires déséquilibrées…).
La collection de micrométéorites du CSNSM sera modernisée de façon à améliorer les conditions de conservation des particules. Un programme de recherche de nouvelles micrométéorites ultracarbonées, des micrométéorites cométaires cristallines, et potentiellement, de nouveaux types de poussières interplanétaires sera lancé.

La matière organique de micrométéorites ultracarbonnées collectées dans les neiges antarctiques a été caractérisée par spectrométrie Infra-Rouge et Raman et par spectrométrie de masse (Nanosims). Ces micrométéorites contiennent une matière organique présentant des teneurs en azote exceptionnellement élevées. La composition chimique et isotopique de ces particules de quelques dizaines de microns indique qu'elles proviennent de régions situées au delà de l'orbite de Neptune. Ces micrométéorites permettent d'apporter un nouvel éclairage sur la composition de la phase solide organique des objets les plus éloignés du soleil. Ce travail résulte de la collaboration entre deux projets ANR (COSMISME et OGRESSE). Ce résultat a été publié dans Icarus (Dartois et al. Icarus 2013) et fait l’objet d’un communiqué de presse CNRS commun à l’IN2P3 et à l’INSU.
Le travail théorique et expérimental effectué sous la direction de Georges Slodzian auprès du NanoSIMS de l’institut Curie (Unité d’imagerie ionique, Orsay) a permis de considérablement améliorer les performances de l’instrument Nanosims. Les résultats ont été acceptés pour publication dans la revue Microscopy & Microanalysis (Slodzian et al. 2014).
Grâce au soutien logistique et financier des instituts polaires français et italien (IPEV @ PNRA), nous avons réaliser en Janvier 2014 une nouvelle expédition de collecte de micrométéorites dans les régions centrales antarctiques. Les collectes ont été effectuées dans des tranchées proches de la station CONCORDIA à Dôme C.

L’amélioration apportée au Nanosims ouvre de nombreuses perspectives pour l’exploitation d’ions poly-atomiques en cosmochimie. Elle permet de réaliser des mesures isotopiques de l’azote (15N12C/14N12C) en coïncidence avec celle de l’hydrogène (C2D/C2H). Nous projetons d’étudier les corrélations spatiales entre les enrichissements en 15N et en Deutérium dans la matière organique des UCAMMs.

Microscopy and Microanalysis 2014, vol. 20, issue 02, pp. 577-581,
Simultaneous Hydrogen and Heavier Element Isotopic Ratio Images with a Scanning Submicron Ion Probe and Mass Resolved Polyatomic Ions
Slodzian, Georges; Wu, Ting-Di; Bardin, Noémie; Duprat, Jean; Engrand, Cécile; Guerquin-Kern, Jean-Luc
Publication Date: 04/2014

Icarus (2013), dx.doi.org/10.1016/j.icarus.2013.03.002
UltraCarbonaceous Antarctic micrometeorites, probing the solar system beyond the nitrogen snow-line
Dartois, E., Engrand, C., Brunetto, R., Duprat, J., Pino, Th., Quirico, E., Remusat, L., Bardin, N., Briani, G., Mostefaoui, S., Morinaud, G., Crane, B., Szwec, N., Delauche, L., Jamme, F., Sandt, Ch., Dumas, P.,

D/H Measurements in Ultracarbonaceous Antarctic Micrometeorites Using Polyatomic Ions with SIMS
Bardin, N.; Slodzian, G.; Wu, T.-D.; Baklouti, D.; Dartois, E.; Engrand, C.; Brunetto, R.; Guerquin-Kern, J.-L.; Duprat, J.
45th Lunar and Planetary Science Conference, held 17-21 March, 2014 at The Woodlands, Texas. LPI Contribution No. 1777, p.2647, Publication Date: 03/2014

The MARVIN Project: A Micrometeorite Harvester in Antarctic Snow.
Duprat J., Dachwald B., Hilchenbach M., Engrand C., Espe C., Feldmann M., Francke G., Görög M., Lüsing N. and Langenhorst F.
Lunar Planet. Sci. XLIV, #2031. (2013)

Le cadre général du projet est la compréhension du contexte astrophysique de formation du système solaire et de son évolution durant les premiers millions d’années après l’effondrement gravitationnel du proto-Soleil. Ce projet s’inscrit dans la continuation du programme ANR « Jeune Chercheur » précédent (MICMET-ISO, 2005-2008) d’étude du continuum astéroïdes-comètes, via la caractérisation de micrométéorites (poussières interplanétaires) collectées dans les régions centrales antarctiques (collection CONCORDIA). Les principaux résultats obtenus comprennent : i) la découverte de nouvelles micrométéorites ultracarbonées (UCAMMs) d’origine très probablement cométaire (Duprat et al. Science 2010); ii) l’évaluation théorique de la masse maximale de noyaux à courte durée de vie (radioactivités maintenant éteintes) qu’il est possible de produire par irradiation dans le jeune système solaire (Duprat & Tatischeff ApJ 2007).

Dans la continuité de ces résultats, le programme OGRESSE propose d’aborder plusieurs questions fondamentales:
- Quel est l’héritage interstellaire dans la poussière cométaire?
- Quelle est l'origine de la matière organique dans le système solaire?
- Existe-t-il un scénario astrophysique minimal et auto-cohérent permettant de rendre compte des radioactivités éteintes dans le disque protoplanétaire, et quelles en sont les implications pour la formation du système solaire?

Ce programme OGRESSE s’articule autour d’axes analytiques, instrumentaux et théoriques complémentaires. Il comprend : des analyses isotopiques d'UCAMMs cométaires (recherche de grains présolaires interstellaires et origine de la matière organique) qui bénéficieront de développements instrumentaux réalisés en parallèle avec un instrument de spectrométrie de masse de pointe, le NanoSIMS; une modélisation théorique des conséquences du scénario Wolf-Rayet sur la contamination du disque protoplanétaire; la recherche de nouveaux types de micrométéorites; et le développement d’une base de données pour permettre à la communauté internationale d’exploiter au mieux ces échantillons uniques.

Les UCAMMs n’ont aucun équivalent dans d'autres collections de matériaux interplanétaires, mais elles présentent des similarités frappantes avec les grains CHON observés dans la comète Halley en 1986. Les UCAMMs sont très probablement d'origine cométaire, et leur masse est plus de 10 fois supérieure à celle des fragments de la comète 81P/Wild2 récoltés par la mission STARDUST. Nous avons identifié dans cette matière organique des minéraux cristallins et amorphes. Pour la première fois, les UCAMMs donnent accès, sans pré-traitement chimique, à une matière organique ultra-primitive formée dans les régions froides du disque protoplanétaire, et à ses phases minérales associées. Nous identifierons la nature et la concentration de grains présolaires interstellaires contenus dans les UCAMMs et mesurerons les compositions isotopiques en éléments légers (H, N) de leur matière organique, en comparaison avec les données de Wild 2. Nous développerons une technique d’imagerie isotopique utilisant l’émission secondaire ionique polyatomique pour ouvrir de nouvelles possibilités d’analyses isotopiques avec le NanoSIMS.

Dans la continuité du travail théorique proposant la formation du système solaire en relation avec la fin de vie d’une étoile massive fugueuse de type Wolf-Rayet (Tatischeff et al. 2010), nous étudierons les implications de ce contexte astrophysique particulier sur les anomalies isotopiques mesurées dans les phases minérales du système solaire primitif.

Enfin, la collection de micrométéorites du CSNSM sera modernisée de façon à rechercher de nouvelles UCAMMS, des micrométéorites cométaires cristallines, et potentiellement, de nouveaux types de poussières interplanétaires. Nous développerons une base de données pour ouvrir l'utilisation de ces échantillons uniques dans le cadre d'un appel d’offre international.