LESIA - Observatoire de Paris

Soutenance de thèse de Vincent Debout le mardi 22 septembre 2015 à 14h

lundi 7 septembre 2015

La soutenance aura lieu le mardi 22 septembre 2015 à 14h dans l’amphithéâtre du bâtiment 18, à l’Observatoire de Paris, site de Meudon.

Titre de la thèse

La spectroscopie infrarouge avec VIRTIS/Rosetta

Directrice de thèse

Dominique Bockelée-Morvan

Résumé

Les comètes sont des petits corps glacés stockés dans le Système solaire externe. Elles sont les vestiges du Système solaire primitif et leur étude est essentielle pour comprendre le scénario de formation et de migration des planètes. Lorsque les comètes s’approchent du Soleil, leurs glaces subliment et les gaz qui s’échappent peuvent être observés par spectroscopie. La sonde Rosetta étudie l’évo- lution des différentes composantes de la comète 67P/Churyumov-Gerasimenko sur son orbite dans le système interne. Parmi ses instruments, le spectromètre infrarouge VIRTIS permet d’observer les bandes de vibration des molécules présentes dans l’atmosphère cométaire. On décrit dans un premier temps les mécanismes d’excitation des molécules H2 O, CO2 et CO qui présentent des bandes de vibration dans le domaine spectral de VIRTIS. Les bandes de vibration sont essentiellement excitées par le rayonnement solaire mais l’épaisseur optique de la coma interne rend le processus complexe à modéliser. Nous avons développé un modèle de transfert radiatif 3D qui permet de calculer les populations des différents niveaux quantiques ro-vibrationnels avec la résolution spatiale de VIRTIS. Notre modèle décrit comment les structures de vitesse et de température de la coma créent un décalage Doppler important entre certaines zones, ce qui rend les effets d’opacité très anisotropes. Ainsi l’excitation vibrationnelle est azimutalement redistribuée dans la coma interne favorisant l’azimut 90◦ et réduisant fortement le taux d’excitation aux azimuts 0◦ et 180◦. Le modèle est ensuite appliqué à 67P pour prévoir l’évolution de l’épaisseur optique des bandes fortes de H2 O, CO2 et CO, au cours de la mission, de 3,5 UA à 1,3 UA. On modélise aussi les spectres infrarouges de la vapeur d’eau dans l’atmosphère de Cérès pour la mission Dawn et on montre que l’opacité y est négligeable. Enfin, notre modèle est utilisé pour interpréter les données infrarouges dela comète 9P/Tempel 1 acquises lors de la mission Deep Impact. On montre alors que les bandes ν3 de H2 O et CO2 sont affectées par l’épaisseur optique et que les taux de production calculés pour H2 O et CO2 sont sous-estimés d’environ 20 % si cet effet n’est pas pris en compte. La thèse présente aussi le développement d’outils d’interprétation des spectres moléculaires de VIRTIS-H. En simulant les caractéristiques instrumentales, on calcule l’intensité des bandes et la température de rotation. Pour H2 O, on estime aussi le rapport ortho/para à 2,77 qui indique que la température de formation de la glace d’eau de la comète 67P serait autour de 36 K. La forme à deux lobes du noyau cométaire rend complexe l’interprétation de la géométrie d’observation au limbe. Nous proposons une méthode pour estimer la contribution des différentes zones du noyau aux molécules observées. La ligne de visée est projetée sur chacune des facettes du modèle de forme. On rassemble les facettes suivant les regions géomorphologiques observées sur la surface pour caractériser la géométrie.


Abstract

Comets are small icy bodies which are stored in the external solar system. They are the remains of the proto-planetary disk and can bring information on planets formation and migration. As they approach the Sun, their ices sublimate and the released gases can be observed by remote-sensing spectroscopy. The Rosetta spacecraft studies the evolution of the different components of comet 67P/ Churyumov-Gerasimenko as it orbits in internal solar system. Among the onboard instruments, the infrared spectrometer VIRTIS can observe the vibrational bands of the molecules present in the cometary atmosphere. This thesis begins with describing thoroughly the quantum excitation processes of H2 O, CO2 et CO. Vibrational bands are mainly excited by sunlight but are affected by optical depth in the inner coma. We developed a 3-D radiative transfer model allowing the computation of the populations within the ro-vibrational levels in the near-nucleus region sampled by VIRTIS. The model shows that velocity and temperature distributions in the coma create Doppler shift between the different zones, making opacity effects anisotropic. As a result, vibrational excitation is azimuthally redistributed in internal coma enhancing excitation rate at azimuth 90◦ , while reducing it at azimuth 0◦ and 180◦ . Such effects could not be simulated by previous 1-D models, like the escape probability formalism. The model is applied to 67P to predict the evolution of the optical thickness of the strong bands of H2 O, CO2 et CO along the mission, from 3.5 AU to 1.3 AU. It is also used to simulate the excitation of water vapour in Ceres exosphere for Dawn mission. We show that opacity effects are negligible for H2 O on Ceres. Finally, our model is used to interpret infrared observations of comet 9P/Tempel 1 by Deep impact mission. We show that the computed production rates of H2 O et CO2 are underestimated by about 20 % if optical thickness is not considered. The thesis also presents the interpretation of VIRTIS-H molecular spectra. Simulating instrumental characteristics, we derive bands intensities and rotational temperatures of H2 O et CO2 . We also estimate the ortho/para ratio to 2.77 for H2 O. This suggests that the temperature of the water ice formation for 67P should be around 36 K. The two-lobe shape of 67P nucleus makes complex the interpretation of the geometries of limb observations. We developped in this thesis tools to estimate the most likely sources outgassing the observed molecules. The line of sight is projected on each facet of the shape model. The general characteristics of the geometry are obtained by grouping these facets following the geomorphologic regions observed on the surface.