Caractérisation de la matière organique de la comète 67P/Churyumov-Gerasimenko

Between August 2014 and September 2016, the time-of-flight secondary ion mass spectrometer COSIMA (COmetary Secondary Ion Mass Analyser) on board the Rosetta orbiter (Rosetta space mission), performed in situ analyses of the dust particles ejected from the comet 67P/Churyumov-Gerasimenko (67P). First results have confirmed the presence in the cometary dust of a high-molecular-weight organic matter that could show similarities with the IOM (Insoluble Organic Matter) extracted from meteorites. The aim of this thesis is to describe even more accurately the organic matter of the 67P cometary particles. To achieve this goal, I have analyzed numerous organic samples using the two ground models of COSIMA. The comparison between the mass spectra acquired on these calibrations samples and those obtained in situ on the cometary particles gave new insights on the cometary organic matter.From analyses performed with the ground models on a large set of carbonaceous terrestrial and extra-terrestrial analogs (respectively sedimentary rocks and IOMs), I deduced the H/C elemental ratio of 33 individual cometary particles. I found that the H/C elemental ratio of the 67P cometary particles was on average equal to 1.04±0.16, which is generally higher than the H/C measured in IOMs extracted from carbonaceous chondrites. This result suggests that the organic matter of 67P cometary particles is more hydrogenated than the meteoritic IOMs. Moreover, further studies involving semi-quantitative analyses have shown that the cometary organic matter would be an immature material, resembling either the IOMs extracted from the most unaltered chondrites or the unprocessed sedimentary rocks.Based on the interstellar ice model, the cometary organic component could be the result of irradiation and heating of ice mixtures usually observed in the interstellar medium. For this reason, I synthesized complex organic material using an experimental setup that can carry out ultraviolet photolysis and heating on ice mixtures. Once produced, these organic residues were analyzed using the ground models of COSIMA. The photolysis at low temperature produces a refractory residue whose the spectrum contains the spectral signature of the HMT (HexaMethyleneTetramine) which is a molecule that has not been detected in the 67P cometary particle mass spectra. The photolysis at both low and room temperatures would produce an organic residue depleted in HMT compared to hydrocarbonaceous compounds. However, because of the presence of an organofluorine contaminant, this last result must be confirmed by synthesizing new and non-contaminated residues.Thus, the data treatment of spectra acquired on the cometary particles of 67P, and, the spectral comparison between these cometary particles and several natural and synthetic carbonaceous samples, have deepened our understanding of the nature of the cometary organic matter, its chemical formation and evolution.Entre août 2014 et septembre 2016, la mission spatiale Rosetta étudia la comète 67P/Churyumov-Gerasimenko (67P). A bord de l'orbiteur Rosetta se trouvait l'instrument COSIMA (Cometary Secondary Ion Mass Analyzer), un spectromètre de masse d'ions secondaires à temps de vol, dédié à l’analyse in situ de la composition élémentaire et moléculaire des particules solides éjectées du noyau de la comète. Les premières observations réalisées par COSIMA ont confirmé la présence de matière organique dans les particules cométaires. Cette matière organique serait de haut poids moléculaire et aurait une structure chimique présentant des similarités avec la matière organique insoluble (appelée IOM pour Insoluble Organic Matter) extraite des chondrites carbonées.Afin de caractériser davantage la nature chimique de la matière organique réfractaire contenue dans les particules cométaires, cette thèse repose sur la comparaison des spectres de masse acquis sur les particules de 67P avec ceux obtenus sur des échantillons de référence à l’aide de deux instruments sol de COSIMA, mais aussi sur des simulations en laboratoire tentant de reproduire les observations.A partir des analyses réalisées sur des échantillons organiques de référence, j’ai déterminé deux droites de calibration liant le rapport élémentaire H/C à deux rapports ioniques différents. Celles-ci m’ont ainsi permis de déterminer le rapport élémentaire H/C pour 33 particules cométaires. Ces rapports élémentaire H/C sont compris entre 0,72 et 1,44 pour les particules cométaires et entre 0,1 et 0,8 dans les IOMs extraites des chondrites carbonées. La matière organique des particules cométaires de 67P est donc généralement plus hydrogénée que la plupart des IOMs météoritiques. De plus, une comparaison semi-quantitative des signatures spectrales observées sur les particules cométaires et sur les échantillons de calibration suggère que la matière organique cométaire serait moins altérée que l’IOM chondritique. Il est possible que la matière organique contenue dans les particules cométaires contienne des structures aliphatiques en proportion plus élevée que dans les échantillons d’IOMs extraits de chondrites, ce qui est cohérent avec la détermination du rapport élémentaire H/C.D’autre part, la matière organique cométaire pourrait provenir de la photolyse et du chauffage des glaces observées dans le milieu interstellaire. C’est pourquoi, j’ai également réalisé la synthèse de matière organique complexe par photolyse et chauffage de mélanges de glaces grâce au dispositif expérimental OREGOC (Origine et Evolution des Glaces et des composés Organiques Cométaires). Dans la cas d’une photolyse des glaces uniquement à basse température suivie d’un réchauffement à température ambiante, le spectre de masse acquis par les instruments sol de COSIMA sur le résidu organique formé présente la signature spectrale du HMT (HexaMéthylèneTétramine) qui n’a été détectée ni en phase solide ni en phase gazeuse dans l’environnement de 67P. Une photolyse prolongée de l’échantillon durant le réchauffement jusqu’à température ambiante produirait un résidu organique appauvri en HMT par rapport aux hydrocarbures. Peu de similarités spectrales sont observées entre la matière organique cométaire est les résidus issus de la photolyse à basse température de glace (composée d’eau, de méthanol et d’ammoniaque), suggérant que ces conditions expérimentales ne sont pas suffisantes pour expliquer la nature de la matière organique des particules cométaires. Les travaux effectués durant cette thèse montrent que la matière organique présente en phase solide dans les particules éjectées du noyau de 67P est plus hydrogénée que la matière organique extraite des chondrites carbonées et qu’elle serait moins altérée que cette dernière.Ainsi, grâce à l'interprétation des données issues de l’analyse des particules de la comète 67P/Churyumov-Gerasimenko et la comparaison avec des échantillons de calibration naturels ou synthétisés en laboratoire, j’ai pu approfondir la nature de la matière organique cométaire et contraindre en partie son évolution chimique