Space-Weathering on Primitive Asteroids. Coupling Infrared spectroscopy and electron microscopy
Effets de l'altération spatiale sur les astéroïdes primitifs. Etude par spectroscopie Infrarouge et microscopie électronique
Résumé
The study of small bodies in our solar system is fundamental for understanding its youth and evolution. These small "primitive" bodies are "undifferentiated" (they did not undergo phase density-separation, irreversibly altering their mineralogy). They have evolved very little since their birth, spurring a composition relatively close to that of the primordial protoplanetary disk. However, other processes, such as thermal alteration, aqueous alteration, shocks, or space-weathering can affect these bodies' surfaces. This is an issue, since remote-sensed data acquired while studying these bodies target these very surfaces. If these surfaces have been altered, they can induce a certain bias in the study of the composition of these small bodies. Therefore, it is paramount to understand the processes affecting the surface of primitive asteroids to correctly assess their composition.There are several ways to study the surface of primitive asteroids, such as remotely, from the Earth or from a satellite orbiting the body of interest, by acquiring spectroscopic data (gaining access to surface chemical and mineralogical composition). It is also possible to study these bodies in a laboratory environment, by working on analogous materials such as certain classes of "primitive" meteorites (carbonaceous chondrites), on terrestrial analogues (simpler to study than meteorites, but less closely related to extraterrestrial materials), or directly on extraterrestrial materials brought back by sample return missions.In this work, we replicate in a laboratory environment the effects of space weathering (SpWe) on the surface of primitive asteroids. More specifically, we focus on the effects of solar wind, the dominant SpWe process on "young" surfaces of the solar system. We have chosen three terrestrial minerals analogous to a "primitive" surface - three hydrated minerals (two serpentines and one saponite) - of which we have produced several pellets which have been bombarded using He and Ar ions, to investigate the effects of two different solar wind. In doing so, we made analogous materials of weathered primitive surface matter.These analogues were then characterized by infrared spectroscopy, from the visible to the far-infrared range, to study chemical changes prompted by ion bombardment. This was done by investigating how certain spectroscopic features - characteristic of hydrated silicates - changed upon ion-bombardment. We detected several effects, such as darkening in the visible range, visible slope reddening and bluing as well as a systematic shift towards longer wavelength affecting the position of several spectroscopic features.This spectroscopic characterization was followed by a study at smaller scale, using electron microscopy. We first characterized the surface of our weathered analogues using scanning electron microscopy, and then investigated the morphological and physicochemical changes taking place in the bombarded layer, at a nano-meter scale, using transmission electron microscopy. Strong vesiculation effects of various kinds were identified in the ion-bombarded amorphized layers, as well as textural changes and some elemental concentration evolutions (such as the loss of oxygen in the utmost top surfaces, preferential amorphization of magnesium, etc.).The coupling between these two techniques, IR spectroscopy and electron microscopy, acting at different scales, has allowed for a better understanding of SpWe effects on primitive bodies, and will be able to support current and future studies of primitive bodies, whether they are carried-out remotely or in a laboratory environment on returned samples.
L'étude des petits corps du système solaire est fondamentale pour la compréhension de sa jeunesse et de son évolution. Ces petits corps « primitifs » seraient « non-différenciés » (pas d'entrée en fusion et séparation des phases altérant la minéralogie). Ils n'auraient donc que très peu évolué depuis leur naissance, avec une composition étroitement liée à celle du disque proto-planétaire originel. Pourtant, d'autres processus, comme l'altération thermique, l'altération aqueuse, les chocs ou l'altération spatiale peuvent venir altérer la surface d'un corps primitif. Ceci est problématique, car les mesures acquises à distance de ces corps ont comme cible précisément leur surface. Si celle-ci est altérée, elle peut biaiser l'étude de la composition de ces petits corps. Il est donc important de comprendre les processus affectant la surface des astéroïdes primitifs, afin de pouvoir correctement interpréter leur composition.Il y a plusieurs façons d'étudier la surface d'astéroïdes primitifs, tel que à distance, depuis la Terre ou un satellite orbitant le corps d'intérêt, en acquérant des données de spectroscopie (composition chimique et minéralogique de surface). Il est aussi possible d'étudier ces corps en laboratoire, en travaillant sur des matériaux analogues comme certaines classes de météorites « primitives » (les chondrites carbonées), sur des analogues terrestres (plus simples à étudier que les météorites, mais moins étroitement liés à la matière extraterrestre), ou enfin sur de la matière extraterrestre rapportée par les missions de retour d'échantillons.Dans cette étude, nous nous sommes proposé d'étudier en laboratoire les effets de l'altération spatiale sur les surfaces d'astéroïdes primitifs. Plus précisément, cette étude est focalisée sur les effets du vent solaire, le processus dominant d'altération spatiale sur les surfaces « jeunes » du système solaire. Nous avons choisi trois minéraux terrestres analogues à une surface « primitive » - à savoir, trois minéraux hydratés (deux serpentines et une saponite) - dont nous avons produit des pastilles que nous avons bombardé avec des ions He et Ar, afin de simuler les effets de deux contributions différentes du vent solaire. Nous avons donc produit donc des analogues de surface primitive ayant subi de l'altération spatiale.Ces analogues ont ensuite été caractérisés par spectroscopie infrarouge, du visible jusqu'à l'Infrarouge lointain, afin d'étudier l'évolution chimique après bombardement ionique de nos échantillons, en suivant les changements induit par le bombardement sur des bandes spectroscopiques caractéristiques des minéraux hydratés dans l'IR, ainsi que sur l'évolution du continuum dans le visible. Nous avons détecté plusieurs effets, tels que l'assombrissement des spectres visible, rougissement et bleuissement des pentes spectrales selon l'échantillon ainsi qu'un déplacement systématique vers les grandes longueurs d'ondes de plusieurs bandes spectrales.Cette caractérisation spectroscopique a été suivie par une étude à plus petite échelle par microscopie électronique, dédiée à caractériser la surface de nos analogues altérés par microscopie électronique à balayage, et ensuite à étudier à l'échelle nanométrique les changements morphologiques et physico-chimiques ayant lieu dans la couche bombardée, par microscopie électronique à transmission. De forts effets de bullages de différents types ont été identifiés dans la couche amorphisée par bombardement ionique, ainsi que des changements de texture et certaines évolutions élémentaires (perte d'oxygène en surface, amorphisation préférentielle du magnésium, etc.).Le couplage entre ces deux techniques, spectroscopie IR et microscopie électronique, agissant à différentes échelles, a permis une meilleure compréhension des effets d'altérations spatiale sur les corps primitifs, et pourra prêter support à l'étude de ce type de surface, qu'elle soit menée à distance ou en laboratoire sur des matériaux récoltés.
Origine : Version validée par le jury (STAR)