Particules énergétiques dans les éruptions solaires : diagnostics X et radio avec Solar Orbiter

Energetic particles in solar flares : diagnostics with X-rayand radio observations from solar Orbiter

• Auteur / Autrice : David Leonardo Paipa-Leon
• Direction : Nicole R. Vilmer, Milan Maksimovic
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Astronomie et astrophysiquee
• Date : Soutenance le 04/12/2025
• Etablissement(s) : Université Paris sciences et lettres
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Astronomie et astrophysique d'Île-de-France (Paris ; 1992-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'Instrumentation et de Recherche en Astrophysique
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Observatoire de Paris (1667-....)
• Jury : Président / Présidente : Christophe Le Poncin-Lafitte
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Nicole R. Vilmer, Milan Maksimovic, Astrid Veronig, Jasmina Magdalenic, Sophie Masson, Hamish Reid, Alexander Warmuth
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Astrid Veronig, Jasmina Magdalenic
• DOI : 10.70675/b7844fb0z1ea7z42cez9332z538d013a1cb0

Mots clés

Mots clés contrôlés

Particules (physique)

Héliosphère

Éruptions solaires

Mots clés libres

Transport des particules

Physique de l'héliosphère

Particules énergétiques

Particle Transport

Heliospheric Physics

Energetic particles

Résumé

Les éruptions solaires sont les phénomènes magnétiques les plus puissants du système solaire. Une part importante de l’énergie magnétique libérée est transférée aux particules énergétiques, en particulier aux électrons. Le diagnostic le plus direct de ces électrons est l’émission de rayons X durs (HXR) par freinage (« bremsstrahlung ») lorsqu’ils interagissent avec l’atmosphère solaire. Les électrons s’échappant dans la couronne et l’héliosphère le long de lignes de champ ouvertes peuvent exciter des ondes de Langmuir, à l’origine des sursauts radio de type III. Dans certains cas, des associations temporelles et spatiales fortes ont été observées entre les émissions HXR et les sursauts coronaux de type III, suggérant une région d’accélération commune. Cependant, la relation reste complexe : la correspondance n’est pas univoque et les intensités sont faiblement corrélées, en partie à cause de mécanismes d’émission distincts. Alors que de nombreuses études ont porté sur les liens entre HXR et sursauts coronaux de type III, les analyses systématiques de leur association avec les sursauts interplanétaires (IP) de type III demeurent rares. Ce travail de thèse comble cette lacune en exploitant les capacités uniques de Solar Orbiter pour des observations simultanées en HXR et en radio avec les instruments STIX et RPW.Deux études ont été menées pour rechercher des associations entre éruptions HXR et sursauts IP de type III. La première s’appuie sur la première période d’observations simultanées X–radio avec STIX et RPW. Sur plus de 200 éruptions HXR observées, 21 événements seulement se sont révélés associés, dont 15 ont fait l’objet d’une analyse détaillée. Il en ressort que le déclenchement des sursauts IP de type III, souvent non liés aux sursauts HXR les plus intenses, est systématiquement précédé d’une reconfiguration de la morphologie de la source HXR. Cela suggère des scénarios complexes impliquant plusieurs épisodes de reconnexion, la reconnexion par échange dans les phases tardives jouant un rôle clé dans l’échappement des électrons.La seconde étude explore une relation plus quantitative à partir de 38 événements. Elle montre que les sursauts de type III les plus brillants et à dérive fréquentielle rapide sont fortement corrélés à une énergie électronique non thermique plus élevée et à des spectres plus durs déduits de la spectroscopie HXR. Ces résultats soutiennent l’existence d’un accélérateur commun pour les deux populations d’électrons dans les événements bien associés et démontrent que le flux de crête des sursauts de type III peut servir de diagnostic du contenu énergétique des électrons en fuite.Dans l’ensemble, ces études mettent en évidence la valeur diagnostique des observations combinées HXR–radio pour mieux comprendre les conditions qui gouvernent l’accélération et l’échappement des électrons lors des éruptions solaires.

Solar flares are the most powerful magnetic events in the solar system. A large amount of the magnetic energy released in solar flares goes to energetic particles, in particular electrons. The most direct diagnostic of flare-accelerated electrons is the hard X-ray (HXR) bremsstrahlung emission produced by electrons interacting with the solar atmosphere. Electrons escaping in the corona and the heliosphere along open magnetic field lines can generate Langmuir waves, which in turn produce type III radio bursts. In some cases, strong temporal and spatial associations have been observed between HXR emissions and type III radio emissions in the corona, supporting the idea of a common acceleration region for linked events. Yet, the relationship between HXR and radio emissions is complex: the correspondence between both emissions is not one-to-one, and their intensities show only weak correlation,partly because of the distinct emission mechanisms involved. While studies so far have focused on the relationship between HXR flares and coronal type III bursts, systematic investigations of the link between HXR flares and interplanetary (IP) type III bursts are still rare. This PhD work addresses this specific gap by using Solar Orbiter’s unique new capability for simultaneous HXR and radio observations with the STIX and RPW instruments.Two studies were carried out searching for associations between HXR flares and IP type III bursts observed with STIX and RPW. The first study was focused on the first time period allowing simultaneous X-ray and radio observations using STIX and RPW. Among more than 200 HXR flares observed during the period, only 21 events were found to be temporally associated. A detailed study was performed on 15 events that were found to be closely associated with HXR in time. It was found that the onset of IP type III bursts, often not associated to the strongest HXR bursts in the flare, is consistently preceded by a reconfiguration of the HXR source morphology. This suggests complex scenarios involving multiple reconnection episodes, with interchange reconnection during later episodes playing a key role in electron escape. The second study investigated a more quantitative relationship between the two emissions though the analysis of 38 events. We show that brighter type III bursts and faster onset frequency drifts correlate strongly with a higher non-thermal electron energy content and harder electron spectra deduced from HXR spectroscopy. These findings support a common accelerator for both electron populations in well-associated events and demonstrate how the type III peak flux can be used as a diagnostic for the escaping electrons energy content. Together, these studies demonstrate the diagnostic values of combined HXR and radio observations for understanding the acceleration and escape of flare-accelerated electrons into interplanetary space.