Etude spectroscopique et chimique des surfaces d'objets trans-Neptuniens

Les objets trans-Neptuniens (OTNs) sont des vestiges de la formation planétaire en périphérie du système solaire. Leurs surfaces glacées sont considérées comme porteuses d'informations sur leur origine, il y a environ 4,5 milliards d'années, et sur les différents processus d'évolution qui les ont probablement affectées depuis. Au cours des 30 dernières années, la caractérisation de la composition de la surface des OTNs a été limitée, en particulier pour les objets dont le diamètre est inférieur à 800 km, plus primitifs que les planètes naines. Cela est dû à leur faible luminosité et à l'absence de bandesd'absorption fortes dans le domaine du proche infrarouge accessible aux télescopes terrestres. Les OTNs ont été principalement caractérisés par leur couleur (pentes spectrales dans le visible et proche infrarouge). Quelques bandes d’absorption ont été détectées, les plus répandues étant attribuées à de la glace d'eau. Depuis 2022, les capacités du télescope spatial James Webb (JWST) ont permis d'ouvrir une nouvelle fenêtre pour la caractérisation chimique des OTNs. Le programme du cycle 1 « DiSCo-TNOs » a fourni des spectres sur l’entièreté de la gamme de 0,7 à 5,1 μm pour plus de 50 OTNs et Centaures. J'ai participé activement à l'analyse des données qui a conduit à la détection de glaces de CO₂ omniprésentes et de glaces de CO assez répandues, bien que des considérations thermodynamiques prévoient l'appauvrissement de ces dernières. Le CO₂ présente d'importantes variations d'abondance et d'environnement chimique sur les différents objets. Ces différences ne sont pas liées à la taille de l'objet, dont on pense qu'elle détermine sa capacité à retenir les espèces volatiles. La variabilité du CO₂ est plus probablement une preuve de variations en composition initiale. Grâce à une analyse des spectres JWST par des méthodes de clustering, nous avons montré que les surfaces des OTNs se répartissent en trois grands groupes spectraux et compositionnels : l'un est dominé par les caractéristiques spectrales de glace d'eau, l'autre par des caractéristiques de CO₂ et le troisième par du méthanol et des composés organiques complexes. La distribution de ces groupes de composition au sein des classes dynamiques d’OTNs indique que ces différences de composition sont primordiales, liées à des différentes distances héliocentriques avant migration planétaire et potentiellement façonnées par des lignes de rétention. Ceci fournit une image cruciale de la distribution des planétésimaux avant qu'une évolution dynamique majeure ne les place sur leurs orbites actuelles.En soutien à l'analyse des observations JWST, j'ai effectué des expériences en laboratoire avec le dispositif INGMAR (IAS/IJCLab, Université Paris-Saclay). J'ai mené des expériences d'irradiation ionique pour reproduire le bombardement ionique de surfaces dépourvues d'atmosphère, un processus qui modifie et « vieillit » les surfaces. J'ai utilisé des ions H+ de 30 keV pour bombarder des glaces de méthanol, pures et mélangées à de l'eau, et des glaces de CO₂. J'ai montré que le CO observé sur les OTNs est compatible avec une formation par irradiation de la glace dominante, qu'il s'agisse de CO₂ ou de méthanol. Le CO se forme piégé dans la glace mère, ce qui explique sa stabilité face à la sublimation. La couleur peut être un autre indicateur de processus d’irradiation. La couleur rouge des glaces de méthanol, irradiées à haute dose, correspond à celle des OTNs riches en méthanol. Mais la détection de méthanol sur les OTNs montre que cette molécule n’est pas entièrement détruite dans toute la profondeur optiquement active. Ceci est cohérent avec l'existence de variations de composition, dans l’épaisseur de la surface, induites par un gradient d'irradiation. En combinant les observations du JWST avec des expériences de laboratoire, mon travail permet de démêler l'héritage primordial de l'évolution chimique induite par irradiation.