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  • Missions spatiales Stardust et Genesis :

    une comte et un rayon de Soleil

    Nancy

    Bernard Marty

    Institut Universitaire de France

    Ecole Nationale Suprieure de Gologie

    Centre de Recherches Ptrographiques et GochimiquesUPR 2300 CNRS

  • Les grandes questions sur la formation du systme solaire et sur lvolution des plantes

    Origine de la matire

    Processus de formation

    Chronologie

    Pourquoi ramener des chantillons de lespace ?

  • Origines des plantes et de la vie

    les gologues travaillent sur des chantillons

    Les mtorites primitives: des tmoins du dbut du systme solaire

    Disques autours dtoiles jeunes dans la nbuleuse

    dOrion (image HST, doc ISSI)

  • Origines des plantes et de la vie

    Les mtorites primitives: des tmoins du dbut du systme solaire

    TIMS Triton, IPGP

    Disques autours dtoiles jeunes dans la nbuleuse

    dOrion (image HST, doc ISSI)

    Sonde ionique ims1270 Nancy

  • IosNASA

    GenesisApollo Luna

    Stardust

  • Quantit dchantillons ET ramenes par les missions spatiales

    1.E-10

    1.E-08

    1.E-06

    1.E-04

    1.E-02

    1.E+00

    1.E+02

    1.E+04

    1.E+06

    1970 1980 1990 2000 2010

    Year of recovery

    reco

    vere

    d m

    ass,

    gra

    m

    APOLLO : 380 Kg

    LUNA : 300 g

    GENESIS : 10-8 g

    STARDUST : 10-6 g

  • Quantit dazote ncessaire pour effectuer une analyse isotopique au niveau du pour mille

    1.E-12

    1.E-11

    1.E-10

    1.E-09

    1.E-08

    1.E-07

    1.E-06

    1.E-05

    1960 1970 1980 1990 2000 2010

    Year

    Ana

    lyse

    d N

    itrog

    en, g

    dynamic mass spectrometry

    static mass spectrometry

    Laser extraction,static mass

    spectrometry

  • Orion

    Composition de la nbuleuse primitive ?

  • Questions

    Matire comtaire solaire ou interstellaire ?

    Avons nous dj des chantillons de comtesurTerre (ex : Interplanetary Dust particles -

    IDPs) ?

    Relation entre comtes et atmosphres ?

    Composition du systme solaire lointain : Stardust

    NASA Program DiscoveryPI : Don Brownlee

  • 50 000 AU

  • 5 km

    Comte frache dans son orbite actuelle depuis seulement 30 ans

    Proche de la Terre

  • 8 mm

    Grain terminal :1-20 m

    Les grains de la coma ont t pigs dans de larogel une vitesse de 6.1 km/s

    Stardust : Echantillonnage et retour sur Terre le 15 Janvier 2006

  • Brownlee et al., 2006; McKeegan et al., 2006

    Mlange de phases haute tempratureet de glaces

    Shu et al., 1996

    La composition des grains de Stardust ressemble fortement celle typique des mtorites primitives prsence de phases rfractaires dont CAI, compositions isotopiques dans la mmegamme : conforte les modles de mlange de la matire trs

    grande chelle dans le systme solaire naissant

  • 8 mm

    Grain terminal1-20 m

    Stardust : Analyse des gaz rares au CRPG

    100 m100 mThera 1 Thera 2

    Gaz relchs haute temprature (> 1075 C)

    Ne peuvent provenir de larogel (diffusion)

    Gaz pigs dans le grain terminal qui est principalement form de kamacite (analyse par rayonnement synchrotron)

    Fragment similaire re-analys Minneapolis (quipe de Bob Pepin) : trs bon accord avec

    Nancy (ouf)

  • 21Ne/22Ne20

    Ne/

    22N

    e

    9

    10

    11

    12

    0.024 0.027 0.030 0.033

    Solar Wind Ne

    Air Ne

    Ne-Q

    S1Thera-2

    a

    1

    2

    3

    4

    5

    3 He/

    4 He

    [uni

    ts o

    f 10-

    4 ]S1

    S2

    He-Q

    Solar Wind He

    Jupiter

    D-burning

    b

    Composition isotopique de Ne ~ phase Q qui est une phase organique porteuse majoritaire des gaz rares dans les mtorites

    Trs diffrent du Ne solaire (gaz de la nbuleuse)

    Composition isotopique de He : entre Jupiter (pre-deuterium burning) et vent solaire (post-deuteriumburning)

    Gaz rares implants partir dune irradiation (hypothse communment admise dans le cas de la phase Q)

    Marty et al., Science, 2008

  • Late Heavy bombardment(Tera, Papanastassiou & Wasserburg, 1974)

    Frquence dimpact ~1000 fois plus leve entre 3.85 and 3.80 Ga

    Transpos la Terre, cela donne un dpt moyen de ~200 m dpaisseur sur toute la

    surface du globe

  • Morbidelli, Gomes et al., 2005

  • 21Ne/22Ne

    20N

    e/22

    Ne

    9

    10

    11

    12

    0.024 0.027 0.030 0.033

    Solar Wind Ne

    Air Ne

    Ne-Q

    S1Thera-2

    a

    Stardust

    Lunar regolith grains

    IDPs

    Ne-Q

    Adsorbed nebular Ne

    Dissolved nebular Ne

    20Ne concentration [cm3 STP/g]

    10-12 10-10 10-8 10-6 10-4 10-2 100 102

    Contribution probable du Terrestrial late Heavy Bombardment TLHB- latmosphre terrestre

    Non atmosphrique : 3.2 1015 molesTLHB 1.2 x 1023 g, 50 % comtes (modle de Nice) : 5 1016 molesTLHB 1.2 x 1023 g, 5 % comtes : 5 1015 moles

    Marty et al., 2008

  • Soleil

    Vent solaire

    Quelle tait la composition de la nbuleusesolaire ?

    Priorits de la mission :1- oxygne isotopique2- azote isotopique3 Gaz rares

  • Variations isotopiques de lazote dans le systme solaireSituation en 2006

    TiN ds CAI : Meibom et al., 2006

    CN et HCN dans les comtes

    (Bockele Morvan et al., 2006)

    Hashizume et al., 2000

    ISO : Fouchet et al., 2000

    In situ : Owen et al. 2001

  • Genesis a chantillonn pendant 3 ans 1020ions du vent solaire (=0.4 milligrammes) 1.5 millions de km de la Terre

    Premiers chantillons ET ramens depuis 3 dcades

    PI : Don Burnett, Caltech

    Genesis Science Team

    NASA discovery program260 millions USD

  • aluminium

    Gold oversapphire

    Silicium

    CVD diamond

    Genesis : droulement de la mission

  • Panneaux solaires

    Capsule porte-ciblesBerceau et instruments de navigation/dtection SW

  • 8 septembre 2004

  • 1.E+00

    1.E+01

    1.E+02

    1.E+03

    1.E+04

    1.E+05

    1.E+06

    1.E+07

    1.E+08

    1 2 3

    air

    Solar

    Matire organique et inorganique14N/20Ne

  • 1000 nm

    Collector ionscontaminationImplanted SW

    100

    nm

  • 1000 nm

    100

    nm

    Remove surficial skin10

    nm

  • Acid attack under vacuum (Zurich)

    Laser ablation (Milton Keynes & Nancy)

    Fluorination(San Diego)

    Megasisms (Los Angeles)

  • Concentrateur dions solaires

    avant

    aprs

  • Concentrator Cross-section

    Accelerator Can -6.5kVTripod Target SupportH+ Rejection Grid 0.1-3.5kV

    Ground Grid

    Domed Grid

    Microstepped MirrorElectrode 2-10kV

    Ion

  • Accelerator Can -6.5kVTripod Target SupportH+ Rejection Grid 0.1-3.5kV

    Ground Grid

    Domed Grid

    Microstepped MirrorElectrode 2-10kV

    Ion

    SiC

    SiC

    CVD diamond

    13C-labelled C

    Concentrator Cross-section

  • Azote : ablation laser (193 nm)

    Spectromtre de masse en mode statique

    He, Ne, N, Ar

    26 mois pour abaisser le blanc en azote 4 x 10-13 mol N2

    Blancs de N < 10 % N analys

    Laurent Zimmermann Pete Burnard

  • Gold over Sapphire (AuoS) collector implanted with 15N

    0%

    20%

    40%

    60%

    80%

    0 10 20 30 40 50 60

    Number of laser pulse per area

    15N

    ext

    ract

    ion

    yiel

    d

    implanted 15N

    atomic force microscopy : 1 pulse ~ 1 nanometer

    (Merci F. Gaboriaud, LMPCE)

    -50

    -40

    -30

    -20

    -10

    0

    10

    -10 10 30 50

    distance, m

    Dep

    th, n

    anom

    eter

    s

  • Le concentrateur est un systme qui fractionne les isotopes

    Fractionnement calibr lETH Zrich pour les isotopes de Ne (Heber et al., 2008)

    Ne analys avec N Nancy : mme fractionnement observ Nancy pour Ne

  • #5#4#3#2#1

    Variations isotopique de N indpendantes de celle de Ne : mlange et non fractionnement

  • (1) Ple contaminant identique celui mesur sur le mme support nayant pas vol

    (2) Ple solaire : 15N = -400

    Variations isotopique de N : mlange entre azote contaminant et azote

    solaire

    Droite de mlange : 15N versus 20Ne/14N normalis au rapport du vent solaire (1.14, mesur directement)

  • Tous les rservoirs non solaires sont fortement enrichis en 15N par rapport au gaz (N2) de la nbuleuse proto-solaire

  • UCLA UCLA MegaSIMSMegaSIMS laboratory laboratory

  • Megasisms Los Angeles, AGU Dec. 2009

  • Pas dvolution isotopique du Soleil externe pour les lments plus lourds que B (important pour les physiciens du Soleil : pas de communication entre zones radiative et convective)

    Pour O et N : tous les rservoirs cosmochimiques chantillonns ( part Jupiter) sont anormaux

    Il faut maintenant comprendre la cause de ces variations isotopiques trs importantes capables denrichir les solides en 17O, 18O, et 15N, par rapport aux majeurs 16O et 14N

    Conclusions

    (1) auto-crantage durant lirradiation prcoce (Clayton, 2002)(2) Irradiation par VUV (Chakrabothy et al., 2008)(3) Fractionnement isotopique lors de ractions ion-molecule trs

    basse temprature (Hevezia, 2000)

  • Nicolas Copernic (1473-1543) Ptolme 90-168.

    Il aura fallu 14 sicles pour passer dune vision ptolmenne dun systme centr sur la Terre une vision copernicienne centre sur le Soleil

    Et 3 dcenni

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