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Première micro-tomographie IR et X de grains astéroïdaux 

27/10/2020 - 17:30

Comment mesurer et visualiser en 3D la composition et la structure d’un grain extraterrestre micrométrique sans le détruire ? Des chercheurs de l’équipe « Astrochimie et Origine » de l’IAS et du synchrotron SOLEIL, en collaboration avec deux laboratoires japonais, ont montré que cela est possible sur des échantillons de l’astéroïde Itokawa collectés par la sonde Hayabusa (JAXA), en couplant la micro-tomographie IR et X.

 

L’équipe « Astrochimie et Origines » de l’IAS est spécialisée depuis de nombreuses années dans l’étude des petits corps du Système Solaire (astéroïdes, comètes et grains interplanétaires), avec notamment une expertise forte dans l’étude infrarouge (IR) de grains extra-terrestres en laboratoire. Dernièrement, grâce aux progrès technologiques des détecteurs IR, une nouvelle barrière a pu être franchie et l’imagerie hyper-spectrale IR est maintenant réalisable en 3D à l’échelle micrométrique.

 

La micro-tomographie aux rayons X est une technique d’imagerie 3D qui fournit des informations sur les propriétés physiques d’un échantillon (telles que les formes des différents constituants, la porosité et l’assemblage 3D). Si la micro-tomographie aux rayons X est une technique bien établie dans de nombreux domaines de recherche (et notamment en médecine), la micro-tomographie IR est quant à elle une nouvelle méthode. Mise en place récemment au synchrotron SOLEIL, grâce à une collaboration internationale menée par l’équipe Astrochimie et Origine de l’IAS et la ligne SMIS de SOLEIL, la micro-tomographie IR permet de sonder la composition 3D d’échantillons micrométriques de manière totalement non-destructive. Cette technique est complémentaire à la micro-tomographie X, car elle est sensible à la vibration des liaisons chimiques dans les molécules constituant la matière et fournit des informations sur la distribution 3D des matières organiques et des minéraux et leur degré local d’hydratation.

 

C’est ce couplage entre les micro-tomographies IR et X, première mondiale, que des chercheurs de l’équipe « Astrochimie et Origine » ont pu réaliser sur six grains extraterrestres et qui vient de faire l’objet d’une publication. L'analyse IR a été effectuée sur SMIS-SOLEIL (France), les analyses aux rayons X ont été réalisées sur la ligne de lumière PSICHE de SOLEIL et la ligne BL47XU du synchrotron japonais SPring-8. Ces grains, de diamètres compris entre 30 et 50 µm, ont deux origines :
    (i) Cinq grains ont été récoltés par la mission Hayabusa (JAXA), directement à la surface de l’astéroïde Itokawa.
    (ii) Un fragment micrométrique de la météorite de Paris, une des chondrites carbonées les moins altérées présentes sur Terre. Cet échantillon s’est révélé particulièrement intéressant car il contient de la matière organique aliphatique.

 

L'analyse des échantillons d'Itokawa a prouvé qu'il était possible d'appliquer la combinaison de micro-tomographies IR et X sur des grains récupérés par des missions de retour d'échantillons (Fig. 1). La combinaison de ces techniques a permis d'étudier la composition minérale et l'assemblage 3D des échantillons d'astéroïdes.

 

L'étude de la météorite de Paris riche en matière organique a prouvé que la distribution spatiale hétérogène en 3D de la matière organique aliphatique et sa composition peuvent être détectées par des techniques non destructives, et donc sans altérer le grain chimiquement ou physiquement (Fig. 2).

 

Les dernières missions de retour d'échantillons Hayabusa2 (JAXA) et OSIRIS-REx (NASA), qui ciblent respectivement les astéroïdes carbonés Ryugu et Bennu, ne récupéreront qu'une quantité limitée d’échantillons (quelques grammes au plus). Il est donc nécessaire d'envisager une stratégie analytique qui maximise les résultats scientifiques tout en minimisant la perte d'échantillons. La combinaison des micro-tomographies IR et X peut constituer la première phase d'un protocole multi-analytique, car elle permet d'éclairer la distribution 3D des phases organiques et minérales de la matière extraterrestre de manière non destructive.

 

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- Z. Dionnet, R. Brunetto, A. Aléon-Toppani, S. Rubino, D. Baklouti, F. Borondics, A-C. Buellet, Z. Djouadi, A. King, T. Nakamura, A. Rotundi, C. Sandt, D. Troadec and A. Tsuchiyama, 2020. Combining IR and X-ray micro-tomography data sets: Application to Itokawa particles and to Paris meteorite. Meteoritics and Planetary Science 55, 1645-1664.
- A. Aléon-Toppani, R. Brunetto, J. Aléon, Z. Dionnet, S. Rubino, D. Levy, D. Troadec, F. Borondics and F. Brisset, 2020. A Preparation Sequence for Multi-Analysis of Micrometer-Sized Extraterrestrial Samples. Lunar and Planetary Science Conference, LPI Contribution No. 2326.
- R. Brunetto and C. Lantz, 2019. Laboratory perspectives on sample returns from Hayabusa2 and OSIRIS-REx. Nature Astronomy 3, 290–292.

 

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Figure 1 : (a) Le montage de micro-tomographie IR installé sur la ligne SMIS du synchrotron SOLEIL. (b) Reconstruction par micro-tomographie 3D de la particule d’Itokawa RA-QD02-0214. Les minéraux d'olivine (vert) et de pyroxène (brun) sont détectés et bien séparés grâce à la micro-tomographie IR. Les images IR sont superposées aux données de micro-tomographie aux rayons X (en gris), qui fournissent un modèle de forme à haute résolution de la particule.

 

 

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Figure 2 : (a) Image obtenue par microscope électronique à balayage d’un grain de la météorite de Paris (b) distribution 3D de la matière organique aliphatique obtenue par micro-tomographie IR (rouge), superposée à la distribution totale 3D de la matière obtenue par micro-tomographie X (gris).

 

 

 

 

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