Evolution radiale du vent solaire et dynamiques de la nappe de courant héliosphérique : observations d'un alignement radial Parker Solar Probe - Solar Orbiter et simulations hybrides de reconnexion magnétique

Solar wind radial evolution and dynamics of the heliospheric current sheet : Observations during a Parker Solar Probe - Solar Orbiter radial alignment and hybrid simulations of magnetic reconnection

• Auteur / Autrice : Étienne Berriot
• Direction : Olga Alexandrova, Pascal Demoulin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Astronomie et astrophysiquee
• Date : Soutenance le 01/12/2025
• 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 (Meudon ; 2025-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Observatoire de Paris (1667-....)
• Jury : Président / Présidente : Fabrice Mottez
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Olga Alexandrova, Pascal Demoulin, Marco Velli, Benoît Lavraud, Lorenzo Matteini, Miho Janvier
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Marco Velli, Benoît Lavraud
• DOI : 10.70675/88e275c4z7373z4c39za0b3ze22766c925b1

Mots clés

Mots clés contrôlés

Vents solaires

Reconnexion magnétique

Soleil -- Atmosphère

Plasmas (gaz ionisés)

Mots clés libres

Vent solaire

Héliosphère

Plasma

Reconnexion magnétique

Solar Wind

Heliosphere

Plasma

Magnetic reconnection

Résumé

La haute atmosphère du Soleil émet continuellement un plasma chaud et magnétisé appelé vent solaire. Dans le milieu interplanétaire, les polarités magnétiques à grande échelle du Soleil donnent alors naissance à différents secteurs séparés par une fine couche: la nappe de courant héliosphérique (HCS). Les nappes (ou couches) de courant sont des structures plasma définies par un important cisaillement du champ magnétique, et sont des endroits où les effets non-idéaux de magnétohydrodynamique peuvent devenir suffisamment forts pour déclencher un réarrangement soudain de la topologie magnétique par un processus nommé reconnexion magnétique. Ce phénomène est abrupt et accompagné d’une conversion significative d’énergie magnétique en chauffage et en accélération du plasma sous forme de jets. Plusieurs reconnexions peuvent être provoqués le long d’une nappe de courant par l’instabilité de tearing (déchirement).La reconnexion magnétique est un processus fondamental de la physique des plasma, cependant, sa dynamique et son fonctionnement restent à être mieux compris. D’autre part, de multiples missions spatiales fournissent des mesures in-situ du vent solaire depuis plus de 60 ans, en faisant un parfait laboratoire de physique des plasmas, et l’un des plasmas astrophysiques les mieux documentés avec la magnétosphère terrestre. Malgré une telle attention, il reste de nombreuses questions en suspend concernant le vent solaire et son évolution dans l’héliosphère. Le but de cette thèse est l’étude de l’évolution radiale du vent solaire, et de la dynamique de la reconnexion magnétique dans le contexte d’un plasma faiblement collisionnel.La manière la plus commune dont sont menées les recherches sur l’évolution à grande échelle du vent solaire est par l’intermédiaire d’étude statistiques. Une autre méthode moins courante, et constituant le premier point principal de cette thèse, est de tirer parti de configurations pour lesquelles deux sondes sont radialement alignés par rapport au Soleil, permettant ainsi l’étude d’une même parcelle de plasma passant par celles-ci. En particulier, nous menons une étude de cas pour un alignement entre deux sondes spatiales récemment lancés: Parker Solar Probe (PSP) et Solar Orbiter (SolO). Pour cette configuration, PSP et SolO étaient respectivement situés à 0.1 et 0.9 ua du Soleil. Nous avons développé une méthode de propagation ballistique qui nous a permis d’identifier une même structure de densité passant par les deux sondes. Cette structure est restée remarquablement bien conservée durant sa propagation de 138 h. Il s’avère aussi que la structure de densité identifiée est étroitement liée à la frontière entre les secteurs magnétiques et à l'HCS. Les deux sondes ont de plus mesuré des signatures de reconnexion magnétique à petite échelle autour de l'HCS. Nous proposons finalement deux scénari pour la génération de la structure de densité, l’un basé sur la reconnexion d’interchange, et l’autre sur l’instabilité de tearing.L’étude de l’instabilité de tearing dans une nappe de courant par des simulations hydrides-PIC est le second point principal de cette thèse. Cette étude a été motivée par les observations de l'HCS, présentant une structuration et une évolution intrinsèquement liées à la reconnexion magnétique. La dynamique globale de l’instabilité de tearing, ainsi que sa transition du stade linéaire au non-linéaire sont décris. Nous quantifions l’évolution des taux de conversion d’énergie dans le domaine entier, ainsi qu’autour de différentes régions de la nappe de courant instable. Par ailleurs, une anisotropie due à une température plus élevée dans la direction parallèle que dans celle transverse au champ magnétique local, ainsi que des signatures de l’instabilité firehose cinétique sont observées. Nous étudions ensuite l’intéraction entre la reconnexion magnétique induite par l’instabilité de tearing et l’instabilité firehose, ainsi que leurs effets sur la conversion d’énergie dans le plasma.

The Sun’s upper atmosphere continuously emits a fast and hot magnetized stream of plasma known as the solar wind. In the interplanetary medium, the large-scale solar magnetic polarities then give rise to different sectors separated by a thin layer: the heliospheric current sheet. Current sheets are plasmas structures defined by an important magnetic field shear and are places where non-ideal magnetohydrodynamic effects can become important enough to cause a sudden change of the magnetic topology in a process called magnetic reconnection. This phenomenon is abrupt and accompagnied by a significant conversion of magnetic energy towards heating and plasma acceleration in the form of jets. Several reconnection events can furthermore be triggered along a single current sheet in what is defined as a tearing instability. Magnetic reconnection is a fundamental plasma process at the basis of many eruptive phenomena but its dynamics and the way it operates still remain puzzling. Additionally, for more than 60 years, numerous spacecraft have been providing in-situ measurements of the solar wind, making it a perfect plasma laboratory and one of the most documented astrophysical plasma along with the earth magnetosphere. Despite such attention, there are still many pending questions regarding the solar wind and its evolution in the heliosphere. This thesis goal is the study of the solar wind radial evolution, and magnetic reconnection dynamics in the context of a weakly collisional plasma.The most common way that the large-scale solar wind evolution is investigated is through statistical studies. Another less common method, which is the first main focus of this thesis, is to take advantage of configurations were two spacecraft are radially aligned with the Sun, allowing the study of the same plasma parcel passing through both of them. In particular, we make a case study of an alignment between two recently lauched missions: Parker Solar Probe (PSP) and Solar Orbiter (SolO). For this configuration, PSP and SolO were situated at 0.1 and 0.9 au from the Sun. We developped a ballistic propagation method which allowed us to identify the same density structure at the two spacecraft. This density structure was remarkably conserved during its ∼ 138 h propagation. It is moreover found to be closely associated with the magnetic sector boundary region and the heliospheric current sheet. Large-scale measurements show the development of a stream interaction region, due to a faster solar wind stream overtaking a slower one, from PSP to SolO. Both spacecraft also measured small scale reconnection signatures around the heliospheric current sheet. We finally propose two scenari for the density structure generation, one based on interchange reconnection, and the other on the tearing instability.The study of the non-linear tearing instability in a current sheet using hybrid-PIC numerical simulations is the second main focus of this thesis. Those were motivated by observations of the heliospheric current sheet, which structuration and evolution are inherently linked with magnetic reconnection. Global dynamics of the tearing instability and its transition from the linear to non-linear stage are described. We quantify the energy conversion rates evolution in the whole domain and around different regions of the unstable current sheet. Furthermore, an anisotropy with a larger proton temperature parallel than transverse to the local magnetic field, and signatures of the kinetic firehose instability are observed. We then investigate the interplay between the tearing induced magnetic reconnection and the firehose instability, as well as their effects on plasma energy conversion.