L’énigme des halogènes

L’instrument ROSINA

Le capteur DFMS de ROSINA à bord de Rosetta a mesuré les gaz autour de la comète Chury. Le DFMS ionise le gaz cométaire, trie les ions formés en fonction de leur masse, et compte le nombre d'ions pour chaque masse.

L’identification des gaz neutres autour de la comète est donc dérivée des masses et des nombres d'ions mesurés. Cette identification est assez complexe car souvent un type d'ion détecté dans le DFMS peut être le résultat de l'ionisation de plusieurs espèces neutres. Par exemple, l’ion d’oxygène O⁺ peut être formé par ionisation de l’eau (H₂O), de CO ou de O₂. Il faut donc savoir comment chaque gaz neutre se comporte dans l'instrument.

Quels “poissons de mer” dans le zoo?

Lors de nos recherches antérieures sur la cométe Chury, nous avons découvert des espèces contenant les halogènes fluor (F), chlore (Cl) et brome (Br) sur Chury, principalement sous la forme d’halogénures d'hydrogène HF, HCl et HBr. Nous avons appelé ces espèces les « poissons de mer » parce que le HCl dans l’eau est lié au sel de mer. Nous avons également trouvé des preuves que ces halogénures d'hydrogène ne sont pas facilement libérés par la comète - ils sont semi-volatils - et proviennent principalement des grains de poussière autour de la comète.

Il reste cependant une question en suspens car, contrairement à ce qui était attendu pour le HCl neutre, nous avons trouvé beaucoup trop de Cl⁺ par rapport à HCl⁺. Par conséquent, il doit y avoir une source supplémentaire de Cl dans le gaz cométaire, mais laquelle ?

La découverte des sels d'ammonium

Par un heureux hasard, vers la fin de la mission Rosetta, un grain de poussière est entré dans l'instrument, ce qui nous a permis d'apercevoir le gaz libéré directement par ce grain. Non seulement nous avons constaté que la quantité de HCl⁺ et de Cl⁺ provenant de la poussière était beaucoup plus élevée que pour le gaz qui provient directement de la comète, mais aussi que le NH₃⁺ a été mesuré avec le DFMS dans une quantité considérablement plus grande (voir figure 1). Cela indique la présence de sels d'ammonium, ce qui a été confirmé après l’étude du comportement de plusieurs sels d'ammonium différents (NH₄X) dans la copie de l'instrument dans le laboratoire. Le rapport Cl⁺/HCl⁺ pour le chlorure d'ammonium (NH₄Cl) est plus proche du rapport obtenu dans le gaz cométaire.

Une mise-à-jour de la proportion Cl⁺/HCl⁺

Depuis nos premiers travaux sur les espèces qui contiennent des halogènes, des améliorations ont été apportées à l'analyse des données pour prendre en compte des effets instrumentaux. En utilisant ces techniques pour l’analyse des données de toute la mission, nous avons mis à jour nos estimations du rapport Cl⁺/HCl⁺. Ce rapport semble être encore plus élevé qu'au début de la mission. Tous ces résultats indiquent la présence d’au moins une source supplémentaire de Cl.

Le projet SeVoCo

A part des sels d’ammonium, on ne sait pas grand-chose sur la forme sous laquelle les espèces semi-volatiles sont présentes sur la comète. Grâce au projet BRAIN-be 2.0 SeVoCo, nous pouvons poursuivre nos recherches sur ces espèces largement inconnues en utilisant la même approche que pour nos « poissons de mer ».

Pour en savoir plus

• Altwegg, K., Balsiger, H., Hänni, N., Rubin, M., Schuhmann, M., Schroeder, I., Sémon, T., Wampfler, S., Berthelier, J.-J., Briois, C., Combi, M., Gombosi, T.I., Cottin, H., De Keyser, J., Dhooghe, F., Fiethe, B., and Fuselier, S.A. (2020). Evidence of ammonium salts in comet 67P as explanation for the nitrogen depletion in cometary comae. Nature Astronomy, 4(5), 533-540. https://doi.org/10.1038/s41550-019-0991-9

• Dhooghe, F., De Keyser, J., Altwegg, K., Briois, C., Balsiger, H., Berthelier, J.-J., Calmonte, U., Cessateur, G., Combi, M.R., Equeter, E., Fiethe, B., Fray, N., Fuselier, S., Gasc, S., Gibbons, A., Gombosi, T., Gunell, H., Hässig, M., Hilchenbach, M., Le Roy, L., Maggiolo, R., Mall, U., Marty, B., Neefs, E., Rème, H., Rubin, M., Sémon, T., Tzou, C.-Y., and Wurz, P. (2017). Halogens as tracers of protosolar nebula material in comet 67P/Churyumov–Gerasimenko. Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 472(2), 1336-1345. https://doi.org/10.1093/mnras/stx1911

• De Keyser, J., Altwegg, K., Gibbons, A., Dhooghe, F., Balsiger, H., Berthelier, J.-J., Fuselier, S.A., Gombosi, T.I., Neefs, E., and Rubin, M. (2019). Position-dependent microchannel plate gain correction in Rosetta's ROSINA/DFMS mass spectrometer. International Journal of Mass Spectrometry, 446, A116232. https://doi.org/10.1016/j.ijms.2019.116232

• De Keyser, J., Gibbons, A., Dhooghe, F., Altwegg, K., Balsiger, H., Berthelier, J.-J., Fuselier, S.A., Gombosi, T.I., Neefs, E., and Rubin, M. (2019). Calibration of parent and fragment ion detection rates in Rosettas ROSINA/DFMS mass spectrometer. International Journal of Mass Spectrometry, 446, A116233. https://doi.org/10.1016/j.ijms.2019.116232