Dynamique de la couronne de transition et génération du vent solaire

par Théo Pellegrin-Frachon (Pellegrin)

Projet de thèse en Astronomie et Astrophysique

Sous la direction de Etienne Pariat.

Thèses en préparation à l'Université Paris sciences et lettres , dans le cadre de Astronomie et Astrophysique d'Ile de France , en partenariat avec Laboratoire de Physique des Plasmas (laboratoire) , Plasmas Spatiaux (equipe de recherche) et de Observatoire de Paris (établissement opérateur d'inscription) depuis le 01-10-2020 .


  • Résumé

    Dans un contexte programmatique excellent avec le lancement de Parker Solar Probe en 2018 et celui de Solar Orbiter en 2020, la question fondamentale de l'origine coronale du vent solaire est au coeur de l'activité de la communauté solaire et héliosphérique. La couronne solaire est structurée par le champ magnétique qui se décline en champ fermé, formant des boucles connectant la surface solaire, et en champ ouvert avec un pieds ancré à la surface et l'autre s'étendant dans l'héliosphère. L'interface entre les champs ouverts et les champs fermés constitue une zone particulière favorable au développement de la reconnexion magnétique. Ce processus de reconnexion magnétique permet d'échanger dynamiquement la connectivité magnétique entre le champ ouvert et le champ fermé et est appelé reconnexion d'interchange. Cet échange de connectivité permet de restructurer le champ magnétique à grande échelle de la couronne solaire et de laisser s'échapper le long des lignes nouvellement ouvertes, le plasma initialement confiné dans la couronne fermée. Initialement, le vent solaire a été classifié en fonction de sa vitesse, avec un vent lent et un vent rapide. Les études ont cependant rapidement montrées que les 2 types de vents étaient bien mieux caractérisés par la composition et les propriétés cinétiques du plasma que par la vitesse seule. Ainsi le vent lent est composé d'un plasma avec les propriétés de la basse couronne fermée, tandis que le vent rapide possède les propriétés des régions avec un champ magnétique ouvert. Au vu, de ces résultats observationnels, la transition dynamique entre champ ouvert et champ fermé via la reconnexion magnétique est une des théorie pour expliquer la variabilité du vent lent et sa composition. Seuls des modèles statiques ont été introduits jusqu'ici et nous proposons pour cette thèse de développer des modèles dynamiques de la couronne de transition (champ ouvert/fermé) afin de caractériser son rôle dans la génération du vent solaire. L'objectif de cette thèse est de développer le volet théorique de la connexion Soleil-heliosphère nécessaire pour interpréter les futures observations de Solar Orbiter. Cette thèse s'appuiera sur de la modélisation et de l'expérimentation numérique, couplée à des études observationnelles reposant sur les observations d'imagerie UV du Soleil et de mesures in-situ obtenues avec Solar Orbiter. Deux volets distincts mais complémentaires seront développés : - Construction et analyse des modèles dynamiques de topologies magnétiques assurant la transition entre la couronne et l'héliosphère. Plusieurs modèles seront développés en tenant compte des différences entre les sources coronales potentielles du vent lent et du vent rapide. Ces modèles seront réalisés avec le code massivement parallèle MDH 3D ARMS qui fonctionne avec un maillage adaptatif dynamique. Ce code est actuellement unique au monde et permet de traiter la reconnexion magnétique à petite échelle (< km) tout en modélisant la dynamique qui en résulte à l'échelle du Soleil entier. Les travaux de modélisation consisteront à adapter le code pour initialiser les systèmes modélisés, de réaliser ensuite les simulations (centre de calculs HPC) et enfin d'analyser en détail la dynamique du système et ses conséquences dans l'héliosphère pour comprendre comment le couplage champ ouvert/fermé dans la couronne génère et contrôle les 2 types de vents. - Extraction d'observables à partir des modèles et comparaisons avec les observations multi-instruments et multi-longueurs d'ondes de Solar Orbiter. Cette étape est critique pour le développement des modèles car elle permet soit de valider les modèles développés directement par les observations, soit d'apporter des contraintes supplémentaires pour adapter et améliorer les modèles.

  • Titre traduit

    Dynamics of the transition corona and solar wind generation


  • Résumé

    In an excellent programmatic context with the launch of Parker Solar Probe in 2018 and Solar Orbiter in 2020, the fundamental question of the coronal origin of the solar wind is at the heart of the solar and heliospheric community activity. The solar corona is structured by the magnetic field which is declined in closed field, forming loops connecting the solar surface, and in open field with one foot anchored on the surface and the other extending in the heliosphere. The interface between open and closed fields is a particular region where magnetic reconnection is likely to occur. This magnetic reconnection process dynamically exchanges magnetic connectivity between the open and closed fields and is called interchange reconnection. This interchange of connectivity allows the corona to restructure its large scale magnetic field and to let escape along the newly opened lines, the plasma initialy confined in the closed corona. Initially, the solar wind was classified according to its speed, with a slow wind and a fast wind. However, studies quickly showed that the two types of wind were much better characterized by the composition and kinetic properties of the plasma than by speed alone. Thus the slow wind is composed of a plasma with the properties of the closed field corona, while the fast wind has the properties of regions with an open magnetic field. Accroding to these observational results, the dynamics of the transition between open field and closed field via magnetic reconnection is one of the theory to explain the variability of slow wind and its composition. Only static models of this theory have been introduced so far and we propose for this thesis to develop dynamical models of the transition corona (open / closed field) in order to characterize its role in the generation of the solar wind. The objective of this thesis is to develop the theoretical part of the sun-heliosphere connection necessary to interpret future observations from Solar Orbiter. This thesis will consist in theoretical and modelling studies coupled with observational studies based on UV imaging of the Sun and in-situ measurements obtained with Solar Orbiter. Two distinct but complementary components will be developed: - Construction and analysis of dynamic models of magnetic topologies ensuring the transition between the closed corona and the open heliosphere. Several models will be developed taking into account the differences between the coronal sources of the slow and the fast wind. These models will be developped with the massively parallel MDH 3D ARMS code which works with a dynamical adaptive mesh. The modeling work will consist of adapting the code to initialize the systems studied, then performing the simulations (HPC data center) and finally analyzing in detail the dynamics of the system and its consequences in the heliosphere to understand how the open / closed field coupling in the crown generates and controls the 2 types of wind.  - Extracting observables from models and comparing them with multi-instrument and multi-wavelength observations from Solar Orbiter. This step is critical for the development of the models because it will allow us either to validate the models developed directly by the observations, or to bring additional constraints to adapt and improve the models.