Le spectromètre COSIMA/Rosetta et l expérience OREGOC

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1 Le spectromètre COSIMA/Rosetta et l expérience OREGOC Nicolas FRAY / LISA Atelier du pôle système solaire de l IPSL, avril 2013

2 Contexte : La matière organique complexe dans les comètes Nombreuses molécules organiques détectées en phase gazeuse, dont certaines relativement complexes : HCOOCH 3, CH 3 CHO, NH 2 CHO, HOCH 2 CH 2 OH, Détection de la présence de composés organiques solides dans les grains cométaires en 1986 Mesures des rapports élémentaires N/C, O/C & H/C Présence d une matière organique insoluble dans les IDPs supposées être d origine cométaire Spectre de masse d ions positifs de PUMA-1 (Kissel, J. & Krueger, F. R.,1987) Vega-1, 1986 Difficultés pour observer cette matière organique solide depuis le sol ou l orbite terrestre Quelle est la nature chimique de la phase organique «complexe» contenue dans les comètes? 2

3 COSIMA : un spectromètre de masse à bord de Rosetta COSIMA : COmetary Secondary Ion Mass Analyzer Technique analytique : TOF SIMS Time of Flight Secondary Ions Mass Spectrometry Caractéristiques principales : - Gamme de masse : de 1 à 3500 amu - Résolution (m/δm) > à 2000 à m = 100 amu (FWHM) - Taille du faisceau d ions primaire sur l échantillon : environ 50 microns. Principaux objectifs : Analyse élémentaire et isotopique des grains. Identifications moléculaires et minérales. 3

4 COSIMA : un spectromètre de masse à bord de Rosetta Moyens «sol» : 1.) RM : copie conforme de l instrument embarqué (Lindau MPS) 2.) OM : instrument de labo très similaire à l instrument embarqué (Orléans LPC2E) Implication du LISA dans l équipe COSIMA : - Hervé Cottin & François Raulin = CoIs - Nicolas Fray = Collaborated Scientist Implication du LISA dans le travail préparatoire de COSIMA : - Caractérisation de la phase organique - Collaboration active depuis des années avec le LPC2E (C. Briois & L. Thirkell) - Etablissement d une bibliothèque de SMs de référence - Composés organiques purs - Analogues à la matière organique cométaire - Préparation au traitement des données cométaires (méthodologie) 4

5 Relative intensity Un exemple de spectre de masse : le POM POM : PolyOxymethylene Formaldehyde (H 2 CO) polymer -(CH 2 -O) n - Echantillon synthétisé, grâce à OREGOC, par réchauffement d un mélange H 2 CO:NH 3 (1:2) déposé à 20 K Analyse avec le TOF-SIMS du LPC2E (OM : «Orléans Model») très similaire à COSIMA m / z (Da) Mass spectrum 1 H 2 12 C 16 O = g.mol -1 [(H 2 CO) n H] m/z = x n [(H 2 CO) n -H] m/z = x n [(H 2 CO) n H - C] m/z = x n [(H 2 CO) n H - CH 2 ] m/z = x n [(H 2 CO) n H - O] m/z = x n [(H 2 CO) n H - OH] m/z = x n [(H 2 CO) n H - H 2 O] m/z = x n Major amu = H 2 COH Most prominent 31, 61, 91, amu = [(H 2 CO) n H] Almost all the peaks, up to 600 amu, can be attributed to POM fragments. «Signature» très spécifique 5

6 Cinétique de décomposition du POM => Opérations spatiales τ O : Characteristic time of decomposition at t= τ O, diminution of a factor e of the inital sample at t= τ O, 37% of the initial sample is remaining Measurements 0 Extrapolation // Arrhenius law 0 Prediction bands at 99% of confidence Temperature of the target and of collected cometary grains inside COSIMA ~ about 303 K (Kissel et al., 2007) τo (303 K) > 15 days Analysis have to be performed at least 15 days after the grains collection in the chemistry station, the target and the collected grains can be heated up to 403K τo (403 K) < 20 min 0 (day) (min) => if two analysis are made: one just after the collection, the second one after the sample heating, confirmation of the presence of POM can be highlighted by the disappearance of specific POM features in the mass spectra. 1E E τ o (303 K) > 15 days Temperature (K) τ o (403 K) < 20 min Cinétique de décomposition du POM => Définition des opérations spatiales permettant de maximiser les chances de détection du POM 6

7 I(28) / I(29) Composition et rapports élémentaires Exploitation de la bibliothèque de spectres 10 1 Rapports d intensité des pics à m/z = 27, 28 et 29 CHON CHN CHO CH Blank Présence d azote 27 amu : C 2 H 3 28 amu : CH 2 N and/or C 2 H 4 29 amu : C 2 H I(28) / I(27) => Estimation du rapport élémentaire N/C avec de larges barres d erreurs Travail en cours sur H/C et O/C Nouvelles méthodes pour diminuer les barres d erreurs 7

8 OREGOC : Synthèse et études d analogues de la matière organique cométaire ORigine et Evolution des Glaces et des composés Organiques Cométaires Dispositif expérimental «OREGOC» Avril 2012 Contrôleur de T Cryo-générateur Capteurs P Capteurs P Détecteur IR Rampe d injection Spectro IRTF Enceinte cryogénique Laser He-Ne «Rouge» Pompe Turbo Lampe VUV Pompe Turbo Compresseur He 8

9 OREGOC : Synthèse et études d analogues de la matière organique cométaire Mélanges de glaces H 2 O : NH 3 : CH 3 OH : CO : CO 2 Synthèse hv / K Sublimation => Gaz UV = Lampe H 2 / Photochimie IR = Analyse FTIR des solides SM = Analyse SM des gaz émis Echantillon dont la T est régulée de 10 à 800 K «Résidus» ou «Yellow Stuff» ~ Matière carbonée solide «primitive» IR IR Evolution Thermique hv / K ~ Matière carbonée solide «évoluée» Décomposition => Gaz UV SM Injection d un mélange H 2 O:CH 3 OH:CO:CO 2 Identification et quantification des molécules produites Evolution thermique à hautes températures Processus solide -> gaz 9

10 m/z = 140 (ion current, A) Absorbance HMT column density (molecules /cm 2 ) TEMPERATURE (K) TEMPERATURE (K) OREGOC : Evolution thermique du HMT HMT : HexaMéthylèneTétramine (C 6 H 12 N 4 ) Spectres IR à 300 K des analogues solides à la matière organique cométaire j n x10 1.0x x10 16 a Suivi de l évolution thermique des analogues En phase solide (spectro IR) & en phase gazeuse (spectro de masse) time (h) 450 K 500 K a Exp #4 Exp #1 b b c 1 c 2 d e e f f g h i i j k k l l m m n o o p q p q r r 6.0x x x K 350 K 400 K FTIR SPECTRA 1006 cm cm pure HMT b 500 pure PMI Wavenumber (cm -1 ) MASS SPECTRA m/z = 140 Exp #1 Exp #5 (blank) Exp #6 (blank) time (h) Quantification du HMT en phase solide Corrélation solide gaz Exemple de résultats: lors du passage K, 30% de la production reste en phase solide et 70% sublime quasi immédiatement => Importance des processus solide gaz

11 OREGOC & COSIMA: Analyse d un analogue de matière organique cométaire C 2 H 4 N Résidu Intensité normalisée Intensité normalisée C 2 H C 3 H 9 N ou C 3 H 7 N C 4 H C 5 H 10 N C 6 H 13 N C 7 H 15 N C 2 H 4 N HMT- Spectre de référence C 2 H C 3 H 9 N ou C 3 H 7 N C 4 H C 5 H 10 N [HMTH] [HMT CH 3 ] m/z (Da) Le HMT est détecté de manière claire et reproductible par TOF-SIMS (modèle sol de COSIMA) dans les analogues synthétisés grâce à OREGOC. Travail en cours sur la détection d autres composés. 11

12 Conclusions : OREGOC & COSIMA -Evolution thermique et Importance des processus solide gaz (OREGOC) - Nombreuses calibrations = bonne connaissance des capacités de COSIMA - Production d analogues grâce à OREGOC qui permettent la calibration et les tests de COSIMA : complémentarité des manips de labo et des instruments spatiaux Perspectives : COSIMA : Poursuite des travaux en cours sur les analogues (identifications moléculaires) et sur les méthodes de quantifications des rapports élémentaires Puis le traitement des «véritables» données cométaires OREGOC : - Toujours plus de représentatitivité du mélange initial et du dépôt de photons -Augmentation de la quantité de matière solide produite pour analyse élémentaire (le seuil du mg ) et analyse des produits restants après chauffage - Prise en compte des nouvelles contraintes observationnelles apportés par COSIMA pour reproduire et comprendre l évolution de la matière organique cométaire depuis sa formation.. 12