Description du sujet de thèse

Titre : Déterminer la composition de la surface de Ganymède et son évolution chimique : Mesures spectroscopiques d'analogues et simulations expérimentales

Mots clés : Ganymède, satellites glacés de Jupiter, expériences de laboratoire, mélanges granulaires, glaces, sels, météorites, sublimation, chimie radiolytique, spectroscopie infrarouge, indices optiques

Résumé du projet de thèse :
Ganymède, le plus gros satellite de Jupiter, possède un océan interne d'eau liquide 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 radiolytiques 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 spectro-gonio-radiométriques (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 »).

Thématiques
Surface et exosphère de la lune Jovienne Ganymède
Spectroscopie des surfaces planétaires
Physico-chimie de l'irradiation ionique et électronique

Objectif et contexte
Ganymède, le plus gros satellite de Jupiter, abrite un océan interne d'eau liquide sous une croûte glacée (Saur et al., 2015). Sa surface présente des régions claires, témoignant d'une activité tectonique importante par le passé, lors de laquelle des matériaux provenant de l'océan interne ont pu être exposés en surface (Pappalardo et al., 2004). Leur composition pourrait révéler les conditions physico-chimiques à l'œuvre pendant ou après l'accrétion, et l'habitabilité de l'océan. D'autres régions sont recouvertes de matériaux sombres de nature et d'origine encore inconnus (Ligier et al., 2019). Il pourrait s'agir de matériaux datant de l'accrétion, ou de dépôts tardifs d'origine météoritique. Pour déchiffrer l'histoire de la surface de Ganymède et ainsi mieux comprendre sa formation et sa composition interne, il faut identifier la nature et l'origine des composés présents sur ces différents types de terrains. Mais cette surface est soumise à plusieurs processus qui peuvent modifier sa texture et sa composition : le rayonnement solaire UV et thermique, le « regolith gardening » causé par les impacts de micro-météorites, et l'irradiation par les particules chargées (ions, électrons) provenant de la magnétosphère de Jupiter, induisant la radiolyse de ces composés et leur pulvérisation (« sputtering ») dont les produits gazeux alimentent l'atmosphère (Cooper et al., 2001; Johnson et al., 2004).
Comment Ganymède s'est-il formé et a évolué, à partir de quels ingrédients et comment ont-ils été transformés au cours du temps ? Quelles sont les origines (endogènes et/ou exogènes) et évolutions des composés présents à sa surface et dans son exosphère ? Comment la composition interne de Ganymède influence-t-elle celle de sa surface et de son exosphère ?
L'observation du spectre de la lumière réfléchie ou émise par la surface de Ganymède aux longueurs d'onde du visible à l'infrarouge, permet d'accéder à la composition de cette surface. Les observations effectuées par les missions spatiales (Galileo 1995-2003, McCord, 1997; McCord et al., 2001) ; Juno 2016-2025, Mura et al., 2020) mais aussi depuis la Terre (VLT-SINFONI, Ligier et al., 2019) n'ont pas encore permis d'obtenir des réponses suffisamment claires à toutes ces questions, en raison de gammes de longueurs d'onde réduites (0.2-5 µm) et du manque de données spectroscopiques de référence pour interpréter ces observations.
En août 2022, le télescope spatial James Webb (JWST) a collecté des observations à haute résolution spectrale de la surface de Ganymède aux longueurs d'onde inédites de l'infrarouge moyen (2.9-11.7 µm). Ces données ont d'ores et déjà permis la détection de deux molécules (CO2 et H2O2), et leur interprétation approfondie va réclamer des développements expérimentaux dédiés. Par ailleurs, de nouvelles demandes d'observations seront déposées pour les cycles 2 et 3 de l'appel d'offres du JWST. Par ailleurs, plusieurs missions spatiales, JUICE de l'ESA et Europa Clipper de la NASA, exploreront d'ici 2030 le système jovien, et Ganymède en particulier pour JUICE.
L'interprétation de ces observations spectroscopiques repose d'une part sur la détermination en laboratoire des propriétés optiques de matériaux modèles de la surface et de leurs mélanges : glace d'eau, sels (sulfates, etc.) et composés sombres minéraux ou carbonés. D'autre part, il nous faut reproduire au laboratoire l'irradiation de ces matériaux par des particules énergétiques (électrons, H, O et S) afin de contraindre leur évolution physico-chimique par radiolyse et pulvérisation (« sputtering »).
Le travail de thèse a pour objectif d'interpréter les observations JWST de Ganymède en s'appuyant sur des études expérimentales, et d'apporter de nouvelles contraintes sur son origine et son évolution.

Aspects méthodologiques
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 Kramers-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 multi-phasées, 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.

Résultats attendus
Ce travail de thèse, centré sur l'analyse des observations JWST, permettra d'apporter de nouvelles contraintes sur la composition chimique de la surface de Ganymède : identification de nouvelles espèces, précisions sur l'état physique de certaines molécules. Nous attendons également une meilleure compréhension des processus physico-chimiques, qui modifient à la fois la surface et génèrent des espèces en phases gazeuses. Les travaux expérimentaux permettront aussi de revisiter des problèmes fondamentaux, comme celui de la cinétique d'amorphisation ou encore le contrôle du taux de pulvérisation dans le régime des basses énergies. Ils apporteront également des données paramétriques pour injection dans les modèles numériques d'exosphère.

Références bibliographiques
Cooper, J.F., Johnson, R.E., Mauk, B.H., Garrett, H.B., Gehrels, N., 2001. Energetic ion and electron irradiation of the icy Galilean satellites. Icarus 149, 133–159.
Fanale, F.P., Li, Y.-H., Carlo, E.D., Farley, C., Sharma, S.K., Horton, K., Granahan, J.C., 2001. An experimental estimate of Europa's “ocean” composition independent of Galileo orbital remote sensing. Journal of Geophysical Research: Planets 106, 14595–14600. https://doi.org/10.1029/2000JE001385
Johnson, R., Carlson, R., Cooper, J., Paranicas, C., Moore, M., Wong, M., 2004. Radiation effects on the surfaces of the Galilean satellites. Jupiter: The planet, satellites and magnetosphere 485–512.
Kleer, K. de, Butler, B., Pater, I. de, Gurwell, M.A., Moullet, A., Trumbo, S., Spencer, J., 2021. Ganymede's Surface Properties from Millimeter and Infrared Thermal Emission. Planet. Sci. J. 2, 5. https://doi.org/10.3847/PSJ/abcbf4
Ligier, N., Paranicas, C., Carter, J., Poulet, F., Calvin, W.M., Nordheim, T.A., Snodgrass, C., Ferellec, L., 2019. Surface composition and properties of Ganymede: Updates from ground-based observations with the near-infrared imaging spectrometer SINFONI/VLT/ESO. Icarus 333, 496–515. https://doi.org/10.1016/j.icarus.2019.06.013
McCord, T.B., 1997. Organics and Other Molecules in the Surfaces of Callisto and Ganymede. Science 278, 271–275. https://doi.org/10.1126/science.278.5336.271
McCord, T.B., Hansen, G.B., Hibbitts, C.A., 2001. Hydrated Salt Minerals on Ganymede's Surface: Evidence of an Ocean Below. Science 292, 1523–1525. https://doi.org/10.1126/science.1059916
Mura, A., Adriani, A., Sordini, R., Sindoni, G., Plainaki, C., Tosi, F., Filacchione, G., Bolton, S., Zambon, F., Hansen, C.J., Ciarniello, M., Brooks, S., Piccioni, G., Grassi, D., Altieri, F., Migliorini, A., Moriconi, M.L., Noschese, R., Cicchetti, A., 2020. Infrared Observations of Ganymede From the Jovian InfraRed Auroral Mapper on Juno. Journal of Geophysical Research: Planets 125, e2020JE006508. https://doi.org/10.1029/2020JE006508
Mustard, J.F., Hays, J.E., 1997. Effects of Hyperfine Particles on Reflectance Spectra from 0.3 to 25 μm. Icarus 125, 145–163. https://doi.org/10.1006/icar.1996.5583
Pappalardo, R.T., Collins, G.C., Head, J.W., III, Helfenstein, P., McCord, T.B., Moore, J.M., Prockter, L.M., Schenk, P.M., Spencer, J.R., 2004. Geology of Ganymede. Jupiter. The Planet, Satellites and Magnetosphere 363–396.
Poch, O., Pommerol, A., Jost, B., Carrasco, N., Szopa, C., Thomas, N., 2016. Sublimation of water ice mixed with silicates and tholins: Evolution of surface texture and reflectance spectra, with implications for comets. Icarus 267, 154–173. https://doi.org/10.1016/j.icarus.2015.12.017
Salisbury, J.W., Eastes, J.W., 1985. The effect of particle size and porosity on spectral contrast in the mid-infrared. Icarus 64, 586–588. https://doi.org/10.1016/0019-1035(85)90078-8
Saur, J., Duling, S., Roth, L., Jia, X., Strobel, D.F., Feldman, P.D., Christensen, U.R., Retherford, K.D., McGrath, M.A., Musacchio, F., Wennmacher, A., Neubauer, F.M., Simon, S., Hartkorn, O., 2015. The search for a subsurface ocean in Ganymede with Hubble Space Telescope observations of its auroral ovals. J. Geophys. Res. Space Physics 120, 1715–1737. https://doi.org/10.1002/2014JA020778
Sultana, R., Poch, O., Beck, P., Schmitt, B., Quirico, E., 2021. Visible and near-infrared reflectance of hyperfine and hyperporous particulate surfaces. Icarus 357, 114141. https://doi.org/10.1016/j.icarus.2020.114141
Zahnle, K., Dones, L., Levison, H.F., 1998. Cratering Rates on the Galilean Satellites. Icarus 136, 202–222. https://doi.org/10.1006/icar.1998.6015

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. 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. 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.