Diagnostics spectroscopiques de la composition élémentaire de la couronne solaire

Spectroscopic diagnostics of the elemental composition of the solar corona

• Auteur / Autrice : Natalia Zambrana Prado
• Direction : Eric Buchlin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique des plasmas
• Date : Soutenance le 25/11/2020
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ondes et matière (Orsay, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut d'astrophysique spatiale (Orsay, Essonne ; 1990-....)
• Partenaire(s) de recherche : Référent : Faculté des sciences d'Orsay
• Jury : Président / Présidente : Karine Bocchialini
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Lidia van Driel-Gesztelyi, Peter R Young, Maria Madjarska
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Lidia van Driel-Gesztelyi, Peter R Young

Mots clés

Mots clés contrôlés

Analyse des données

Spectroscopie ultraviolette

Diagnostics de plasma

Composition chimique

Soleil -- Couronne

Mots clés libres

Spectroscopie UV

Couronne solaire

Analyse de données

UV spectroscopy

Solar corona

Data analysis

Résumé

Un des objectifs principaux de la mission Solar Orbiter est d'établir un lien entre l'activité à la surface du Soleil et l'évolution de la couronne et de l'héliosphère interne. Le satellite emporte à cette fin une combinaison unique d'instruments permettant de faire tant des mesures in situ du plasma héliosphérique que des observations à distance du Soleil. Ces mesures nous permettront par exemple de déterminer la région source du vent solaire mesuré in-situ au niveau du satellite. Un outil essentiel pour établir un tel lien sont les mesures de composition. En effet, différentes structures solaires sont caractérisées par des abondances d'éléments chimiques différentes, en raison de l'effet FIP (premier potentient d'ionisation). Comparer les mesures de composition in situ et à distance, en lien avec la modélisation de l'effet FIP, nous permettra de déterminer les sources du plasma héliosphérique. Lors de la thèse, j'ai développé une nouvelle méthode de mesure d'abondances relatives de la couronne solaire grâce à la spectroscopie UV, la Linear Combination Ratio (LCR) method. Cette méthode peut être peu coûteuse en télémétrie tout en restant fiable; elle se base sur des combinaisons linéaires optimisées de raies spectrales. Cette méthode a été testée sur des spectres synthétiques et sur des données d'observations spectroscopiques. Grâce à une approche bayésienne, j'ai ensuite développé une manière de déterminer les incertitudes liées aux mesures obtenues avec la méthode LCR. Une des applications de la méthode fut de fournir des mesures de composition élémentaire fiables dans le cadre d'une collaboration dont le but est de trouver les caractéristiques du plasma et la région source d'un jet. La propagation dans la couronne et dans le milieu héliosphérique du jet a été ensuite modélisée pour déterminer sa composition in situ et s'il a atteint 1 UA. L'ensemble des méthodes et des outils nécessaires au travail de la thèse ont été développés avec la mission Solar Orbiter (lancée en février 2020) en tête. J'ai modélisé le bruit que nous obtiendrons dans les observations de SPICE et j'ai fourni trois ensembles de raies spectrales qui pourront être utilisés pour faire des mesures de composition. Ces trois ensembles seront utilisés pour concevoir des observations optimales de SPICE pour la production de cartes d'abondance coronales.

Linking solar activity on the surface and in the corona to the inner heliosphere is one of the main goals of Solar Orbiter. Its unique combination of in-situ and remote sensing instruments can be used to shed light on this difficult task by, e.g., determining the source region of the solar wind measured in-situ at the spacecraft position. A key element in this are data on the elemental composition. Indeed, different structures on the Sun have different abundances as a consequence of the FIP (First Ionization Potential) effect. Comparing in-situ and remote sensing composition data, coupled with modeling, will allow us to trace back the source of heliospheric plasma. During my thesis, I developed a new method for measuring relative abundances of the solar corona using UV spectroscopy, the Linear Combination Ratio (LCR) method. This method can be telemetry efficient while remaining reliable; it is based on optimized linear combinations of spectral lines. This method has been tested on synthetic spectra and on spectroscopic observation data. Using a Bayesian approach, I then developed a way to determine the uncertainties related to the measurements obtained with the LCR method. One of the applications of the method was to provide reliable measurements of elemental composition in the framework of a collaboration whose goal is to find the characteristics of the plasma and the source region of a jet, a jet whose propagation in the corona and in the heliospheric medium will then be modeled to determine its composition in situ and whether it has reached 1 AU. All the methods and tools necessary for the thesis work have been developed with the Solar Orbiter mission (launched in February 2020) in mind. I have modeled the noise that we will obtain in the SPICE observations and I have provided three sets of spectral lines that could in principle be used to make composition measurements and that will be used to design optimal SPICE studies for abundance maps.