Approche utilisée

L’instrument COSIMA a acquis environ 35 000 spectres de masse d’ions secondaires positifs et négatifs au cours de la mission Rosetta (août 2014 – septembre 2016). La sélection des spectres de masse est un point critique de l’analyse des données COSIMA. La méthodologie appliquée pour différencier les spectres de masse d’ions secondaires positifs dominés par le signal de la particule, de ceux dominés par le signal de la cible, a été exposée dans le paragraphe § 3.5.1. Afin de quantifier les éléments provenant des particules de la comète 67P/Churyumov-Gerasimeko, la sélection des spectres de masse peut être effectuée selon plusieurs approches complémentaires :

- Sélectionner les spectres de masse position par position pour une particule donnée.

Cette approche est particulièrement intéressante pour rechercher des variations spatiales dans la composition de la particule. La taille du faisceau d’ions primaires étant de 35 x 50 µm², seules les variations spatiales supérieures à cette taille pourront être identifiées. La correspondance spatiale de certains ions entre les spectres de masse d’ions secondaires positifs et négatifs acquis sur une même particule peut également être recherchée. C’est le cas des ions 56Fe+ et 32S- dont la correspondance pourrait confirmer la présence suspectée de sulfures de fer au sein des particules cométaires.

- Sélectionner l’ensemble des spectres de masse pour une particule donnée.

Cette sélection peut être considérée comme une composition moyenne de la particule cométaire analysée. La comparaison entre plusieurs particules peut ainsi être effectuée.

- Sélectionner les spectres de masse de plusieurs particules.

Cette approche consiste à effectuer des sélections très larges de plusieurs centaines de spectres de masse, en considérant plusieurs particules collectées sur une ou des cibles différentes mais de même nature (la signature spectrale de la cible de noir d’or et de la cible d’argent ou de noir d’argent étant différente, il convient de les différencier). Ces très larges sélections de spectres de masse peuvent refléter une composition moyenne et globale des particules cométaires.

Certains ions ont de plus une probabilité d’ionisation plus faible, c’est le cas de 52Cr+, 55Mn+ ou 58Ni+, comparés à l’ion 23Na+. L’addition de plusieurs spectres de masse sur une ou plusieurs particules diminue le rapport du signal sur bruit des spectres, il devient alors possible de détecter de nouveaux ions d’origine cométaire. Afin d’illustrer ce principe deux sélections de spectre de masse sont considérées dans la Figure 120. Dans le premier cas, 2 spectres de masse ont été sommés et proviennent d’une même position d’analyse sur la particule Kenneth (spectre en bleu). Dans le second cas, 494 spectres de masse ont été additionnés et proviennent de 25 particules différentes (spectre violet). La détection de l’ion 52_Cr+

à m/z = 51,94 est impossible lorsque la statistique du spectre de masse est faible tandis qu’elle devient envisageable pour une large sélection de spectres de masse.

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Figure 120 : Spectres de masse d’ions secondaires positifs entre 51,6 < m/z < 52,4 pour deux sélections différentes. L’emplacement du rapport m/z de l’ion 52_Cr+ _{(m/z = 51,94) est indiqué. Les ordonnées sont en échelle logarithmique.}

Sept éléments (Na, Mg, Al, Si, Ca, Mn et Fe) ont déjà été quantifiés dans neuf particules collectées par COSIMA et analysées entre septembre et octobre 2014 (Schulz et al. 2015; Hilchenbach et al. 2016). Les travaux qui seront présentés ci-après ont été menés, après le rétablissement de l’instrument et la reprise des analyses cométaires en mai 2015. Les 25 particules que j’ai sélectionné recouvrent tous les types de morphologies (Langevin et al. 2016) et les dates de collection sont comprises sur une longue période de temps (décembre 2014 à janvier 2016). Les 494 spectres de masse d’ions secondaires positifs provenant de ces 25 particules permettront également d’effectuer la première étude de la composition chimique globale des poussières de la comète 67P/Churyumov-Gerasimenko. Le nombre de spectres de masse sélectionné pour chaque particule est indiqué dans le Tableau 38, les caractéristiques des particules sont présentées dans le Tableau 39.

Ces études constituent une première étape dans l’analyse des données de l’instrument COSIMA, ainsi de nombreux critères ont été appliqués dans la sélection des spectres de masse, afin que seul le meilleur signal cométaire soit considéré. Ces critères sont les suivants :

- Toutes les particules sélectionnées ont été collectées sur des cibles de noir d’or. En effet, la contamination en éléments tels que Na, Al, K et Ca est importante sur les cibles d’argent et de noir d’argent, elle peut interférer avec la contribution cométaire de ces éléments et donc dans leur quantification.

- La qualité des spectres de masse doit être la meilleure possible avec un bruit de fond faible et une forme des pics gaussienne. Les analyses effectuées entre septembre et octobre 2014 n’ont donc pas été considérées.

- Pour tous les spectres de masse sélectionnés sur les particules, des analyses ont également été effectuées à côté de celle-ci. Les spectres de masse de référence sur la cible sont indispensables dans l’attribution du signal provenant de la composante cométaire.

- Seuls les spectres de masse les moins contaminés en PDMS, par rapport aux spectres de masse de référence, ont été considérés.

- Tous les spectres de masse sélectionnés sur les particules montrent une claire contribution cométaire, à savoir une augmentation du signal des ions du magnésium et du fer par rapport aux spectres de masse de référence.

159 La somme des 494 spectres de masse représente une signature moyenne du signal des 25 particules cométaires analysées par l’instrument COSIMA. Toutefois, les 50 spectres sélectionnés sur la cible (Tableau 38) ne correspondent pas à l’addition des sélections effectuées sur la cible pour les 25 particules, mais à une sélection réalisée sur 5 cibles de noir d’or avant leur première exposition aux poussières cométaires. Ces spectres de masse représentent donc une signature moyenne du signal des cibles de noir d’or.

Particule Nombre de spectres sélectionnés

sur la particule sur la cible

Alicia Al. 16 2 André An. 2 2 Atika At. 30 2 Bonin B. 8 8 David Da. 30 14 Devoll De. 2 14 Elly El. 6 2 Enako En. 10 8 Fadil F. 2 4 Hase H. 8 4 Isbert I. 2 4 Jakub Ja. 60 24 Jean-Pierre JP. 6 8 Jessica Je. 20 20 Juliette Jul. 12 6 Juvenal Juv. 12 10 Karen Ka. 204 6 Kenneth Ke. 14 8 Lari L. 2 2 Matt M. 10 4 Roberto R. 20 80 Sachi Sa. 2 4 Stefane St. 2 8 Uli Ul. 10 2 Umeka Um. 4 14 "Sélection comète" 494 50

Tableau 38 : Sélection des spectres de masse d’ions secondaires positifs sur les 25 particules sélectionnées et sur leurs cibles. La « sélection comète » résulte de la somme des spectres de masse sur les 25 particules, pour la sélection sur la cible voir les explications dans le texte.

160 Particule Cible de collecte Morphologie Aire (104 _{µm²) Période de collecte Dates d'analyse}

Bonin 1CD Agglomérats lâches 2,14 31 juillet - 1 août 2015 21 août 2015 ; 10 septembre 2015

Devoll 1CD Amas liés 0,53 31 juillet - 1 août 2015 16 octobre 2015

Umeka 1CD Amas liés 0,74 3 - 4 juillet 2015 21 août 2015 ; 10 septembre 2015

André 1CF Amas liés 2,62 9 - 14 janvier 2015 17 décembre 2015

Elly 1CF Agglomérats lâches 1,36 24 - 25 janvier 2015 17 décembre 2015

Hase 1CF Agglomérats lâches 1,64 24 - 25 janvier 2015 17 décembre 2015

Isbert 1CF Agglomérats lâches 2,8 28 - 29 janvier 2015 17 décembre 2015

Alicia 1CF Agglomérats lâches 1,86 16 - 20 décembre 2014 11 décembre 2015

Uli 1CF Particule compacte 1,66 20 - 27 décembre 2014 29 janvier 2016

Atika 1CF Amas liés 1,86 16 - 20 décembre 2014 17 décembre 2015 ; 3 février 2016

Juliette 1D2 Amas liés 1,49 23 - 29 octobre 2015 18 novembre 2015

Fadil 1D2 Amas liés 0,88 16 - 18 novembre 2015 26 novembre 2015

Karen 2CD Amas fragmentés 5,49 25 - 26 juillet 2015 5 août 2015 ; 17 & 30 sept. 2015 ; 26 février 2016

Jean-Pierre 2CF Amas fragmentés 9,5 24 - 25 janvier 2015 8 janvier 2016 ; 4 février 2016

Jessica 2CF Amas fragmentés 23,2 26 - 27 janvier 2015 7 janvier 2016 ; 4 février 2016

Lari 2CF Amas fragmentés 1,96 24 - 25 janvier 2015 1 janvier 2016

Kenneth 2D1 Agglomérats lâches 2,78 11 - 12 mai 2015 18 juin 2015 ; 2 juillet 2015

Roberto 2D1 Amas fragmentés 0,41 11 - 12 mai 2015 18 juin 2015 ; 2 juillet 2015

David 2D1 Amas fragmentés 3,04 11 - 12 mai 2015 13 juin 2015 ; 23 décembre 2015

Jakub 2D1 Amas fragmentés 8,43 11 - 12 mai 2015 21 mai 2015 ; 13 juin 2015

Enako 2D1 Amas fragmentés 0,69 11 - 12 mai 2015 18 juin 2015

Stefane 2D2 Agglomérats lâches 0,69 17 - 18 janvier 2016 11 février 2016

Juvenal 3C7 Particule compacte 0,69 1 - 9 mars 2015 13 novembre 2015

Matt 3CF Agglomérats lâches 2,8 24 - 25 janvier 2015 13 janvier 2016 ; 5 février 2016

Sachi 3D1 Particule compacte 0,45 11 - 12 mai 2015 2 décembre 2015

Tableau 39 : Liste des particules cométaires sélectionnées en vue d’une quantification des éléments. Les caractéristiques des particules ainsi que les dates de collecte et d’analyse sont également indiquées. Le nombre de spectres correspond à la sélection effectuée sur les particules.

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