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Doctorant en planétologie H/F

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Date Limite Candidature : mardi 24 mai 2022

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Informations générales

Référence : UMR5274-VALDEL1-018
Lieu de travail : GRENOBLE
Date de publication : mardi 3 mai 2022
Nom du responsable scientifique : Olivier POCH
Type de contrat : CDD Doctorant/Contrat doctoral
Durée du contrat : 36 mois
Date de début de la thèse : 1 septembre 2022
Quotité de travail : Temps complet
Rémunération : 2 135,00 € brut mensuel

Description du sujet de thèse

Déterminer la composition de la surface de Ganymède et son évolution chimique : Mesures spectroscopiques d'analogues et simulations expérimentales.
Ganymède, le plus gros satellite de Jupiter, possède un océan interne et une surface dichotomique présentant des terrains clairs, dominés par la glace d'eau et probablement des sels, et des terrains sombres dont la composition est très mal connue. La composition de la surface constitue un objet d'étude majeur, car renseignant sur la composition interne du fait de matériaux excavés par impact ou sous l'effet de la tectonique, et de fait sur l'habitabilité de l'océan interne. Ganymède possède également une exosphère formée par l'irradiation de la surface par les particules magnétosphériques et le bombardement des poussières cométaires et interstellaires, qui génèrent des processus radiolytique et de pulvérisation (« sputtering »).

L'observation de Ganymède par le télescope spatial JWST durant l'été 2022 fournira des spectres de la surface inédits dans la gamme de l'infrarouge moyen (2.9-11.7 µm) qui sont à même de fournir des contraintes précieuses en terme de composition et de nature des processus physico-chimiques en présence. L'interprétation de ces spectres réclame la conduite d'expériences de laboratoire, qui sont l'objet de cette thèse. Dans un premier volet, les propriétés optiques de matériaux modèles seront étudiés en conditions cryogéniques à l'aide de dispositifs radio-spectro-goniométriques (réflectance bidirectionnelle, fonction de phase), et de mesures en transmission (constantes optiques). Dans un second volet, les effets des particules magnétosphériques seront étudiés par des expériences d'irradiations électroniques et ioniques, afin de produire des spectres de référence des matériaux irradiés, ainsi que des paramètres physiques fondamentaux indispensables aux modèles exosphériques.

La thèse est financée par l'Agence Nationale de la Recherche (ANR) via le projet PRESSE (« PREparing Jupiter's System Exploration with JWST ») et se situera dans le cadre de collaborations nationales (avec les laboratoires LESIA, LATMOS, LMD) et internationales (programme d'observation JWST Early Release Science ERS 1373, « Observations of the Jovian System as a Demonstration of JWST's Capabilities for Solar System Science »).
La thèse est articulée autour de deux volets.

Le premier consistera à produire des mesures spectroscopiques de référence pour l'interprétation des observations JWST en particulier, mais également permettant de revisiter l'interprétation d'observations anciennes et de préparer la mission JUICE. Ces mesures seront conduites sur des composés présents ou susceptibles d'être présents sur Ganymède et sur leurs mélanges à différentes proportions : glaces, sels, composés minéraux ou carbonés, cosmo-matériaux. La.le doctorant.e sélectionnera ces composés en fonction des nouvelles signatures spectrales révélées par le JWST, et de leur pertinence par rapport à l'environnement Ganymédien. Dans le but d'utiliser des modèles de transfert radiatif, les constantes optiques de différents matériaux seront mesurées via des procédés expérimentaux dédiés et un code de transfert radiatif couplé à la résolution des relations de Krammers-Krönig. Afin de suppléer aux limitations inhérentes aux modèles de transfert radiatif ou afin de tester certains de leurs résultats, la.le doctorant.e produira des surfaces granulaires analogues à Ganymède afin de mesurer leur réflectance spectrale en laboratoire. Ce sera tout particulièrement le cas pour des surfaces multiphasées, ultra-poreuses et constituées de grains de très petites tailles (sub-micrométriques), afin d'identifier et quantifier les paramètres qui contrôlent les pentes spectrales, ainsi que les formes et les profondeurs des bandes d'absorption (Mustard and Hays, 1997; Salisbury and Eastes, 1985; Sultana et al., 2021). La.le doctorant.e accordera donc un soin tout particulier au contrôle de ces paramètres lors de la préparation des surfaces granulaires et pourra les faire varier de manière systématique afin de comprendre leurs influences. Elle.Il pourra s'appuyer pour cela sur les expertises déjà développées à l'IPAG lors de thèses précédentes (Robin Sultana 2018-2021 ; Van Hoang 2019-2022) et développer de nouvelles méthodes. La.le doctorant.e mesurera la réflectance spectrale de ces surfaces grâce aux spectro-gonio-radiomètres de l'IPAG (SHINE, SHADOWS) pour des mesures de 0.4 à 4.2 µm et aux spectromètres infrarouge à transformée de Fourier (FTIR) pour des mesures jusqu'à 25 µm. Ces dispositifs sont équipés de chambres environnementales (MIRAGE, ICEBERG, CARBONIR) permettant de contrôler les conditions de température et de pression des échantillons mesurés (https://cold-spectro.sshade.eu). Ces chambres permettront notamment d'effectuer des expériences de sublimation de mélanges de glaces et de composés minéraux et/ou carbonés, produisant des surfaces poreuses de texture potentiellement analogues aux terrains sombres de Ganymède (Kleer et al., 2021; Poch et al., 2016; Sultana et al., 2021). La.le doctorant.e pourra également développer des approches expérimentales visant à utiliser des échantillons naturels tels que des chondrites carbonées comme analogues de matériaux d'origine endogène ou exogènes à la surface de Ganymède. Les chondrites carbonées pourraient servir, après broyage, de matériaux modèles de poussières cométaires ayant impacté Ganymède (Zahnle et al., 1998), ou bien de modèles des constituants internes de Ganymède (sels, minéraux ou matière organique ayant subi une altération aqueuse etc.) (Fanale et al., 2001).

Le second volet du travail de thèse portera sur les processus d'irradiation de la surface. La surface de Ganymède est exposée à un flux important de particules magnétosphériques, dominées par H, S, O et des électrons. L'étude des effets chimiques et spectraux de ces particules sur la surface s'effectuera sur la base de simulations expérimentales à l'IPAG utilisant un canon à électrons (2-20 keV), implémenté sur une chambre cryogénique (15-300 K) couplée à un spectromètre FTIR et un spectromètre de masse quadripolaire. Pour les matériaux réfractaires, ces expériences seront complétées par des sessions sur l'accélérateur SIRIUS de l'Ecole Polytechnique (0.15-2.5 MeV). Des expériences d'implantation ionique seront également conduites avec des ions O et S sur la gamme d'énergie 10-1000 keV, avec deux objectifs : (1) la production de CO et CO2 à partir de composés carbonés réfractaires, du fait de la co-localisation de CO2 avec les terrains sombres sur Ganymède (Johnson et al., 2004) ; (2) la formation de divers composés soufrés dans la glace H2O. Ces expériences seront conduites à l'accélérateur national GANIL (Caen) sur la ligne ARIBE. Elles produiront des paramètres essentiels à la modélisation de l'évolution chimique de la surface et de la production d'espèces en phase gazeuse, alimentant l'exosphère. Elles seront également un support à l'interprétation des données JWST.

Contexte de travail

l'IPAG est une Unité Mixte de Recherche de 150 personnes sous la tutelle du CNRS et de l'Université Grenoble Alpes.
La.Le doctorant.e sera encadré.e à l'IPAG par Eric Quirico, professeur à l'Université Grenoble Alpes, et Olivier Poch, chargé de recherche au CNRS. La thèse sera conduite dans le cadre de l'ANR PRESSE (« PREparing Jupiter's System Exploration with JWST ») et du programme d'observation JWST Early Release Science (ERS 1373, « Observations of the Jovian System as a Demonstration of JWST's Capabilities for Solar System Science »), ce qui impliquera des interactions et réunions régulières avec le LESIA (T. Fouchet, D. Bockelée-Morvan, E. Lellouch), le LATMOS (F. Leblanc) et le LMD (S. Guerlet), et avec l'ensemble de l'équipe internationale de l'ERS 1373.

La.le doctorant.e bénéficiera de regards extérieurs et de conseils critiques à l'IPAG lors de présentations de ses travaux en réunions du groupe thématique « Spectroscopie et chimie des petits corps et des cosmo-matériaux » et en réunions des équipes Spectre et Planéto qui se tiennent chaque semaine en moyenne. La.le doctorant.e présentera son travail à l'ensemble du laboratoire chaque année lors de la Journée des thèses de l'IPAG, et éventuellement lors d'un séminaire si l'occasion se présente. Un comité de thèse assurera un regard extérieur sur le déroulement de la thèse et son encadrement. La.le doctorant.e bénéficiera de l'écoute du groupe d'accompagnement des doctorants de l'IPAG pour s'assurer que la thèse se déroule dans de bonnes conditions.

À l'IPAG, le projet bénéficiera des infrastructures expérimentales nécessaires et des financements associés (ANR PRESSE, CNES, Europlanet 2024). Les expériences au GANIL et sur l'accélérateur SIRIUS se font sur la base d'appels à projets. Les encadrants ont une expérience de plusieurs années sur les irradiations ioniques au GANIL et des relations récurrentes avec l'équipe d'accueil. L'environnement financier permettra la valorisation des travaux dans des conférences internationales.

La valorisation se fera tout au long de la thèse par la communication lors de conférences, séminaires, ateliers, et publications dans des revues à comité de lecture. Deux publications, une sur chacun des volets du projet, sont envisageables au cours de cette thèse.

Les collaborations envisagées auront lieu au sein de l'ANR PRESSE et du consortium ERS/JWST, avec l'équipe d'accueil au GANIL et avec l'Université de Berne. L'équipe ERS/JWST est internationale.

Contraintes et risques

La.le doctorant.e sera formé.e aux bonnes pratiques permettant de travailler en sécurité au laboratoire, via ses encadrants et les assistants de prévention.

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