L'impact de petits événements brillants UV-EUV sur le chauffage coronal du Soleil calme : analyse de données de Solar Orbiter et simulations hydrodynamiques de boucles magnétiques

The impact of small UV-EUV brightenings on the quiet Sun coronal heating : Solar Orbiter data analysis and hydrodynamics simulations of magnetic loops

• Auteur / Autrice : Antoine Dolliou
• Direction : Karine Bocchialini, Susanna Parenti
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 11/10/2024
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ondes et Matière
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut d'astrophysique spatiale (Orsay, Essonne ; 1990-....)
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Physique (2020-....)
• Jury : Président / Présidente : Catherine Krafft
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Nicole R. Vilmer, Alexis Rouillard, Sophie Masson, Spiros Patsourakos, Andrei Zhukov
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Nicole R. Vilmer, Alexis Rouillard

Mots clés

Mots clés contrôlés

Simulation par ordinateur

Spectroscopie ultraviolette

Analyse des données

Soleil -- Couronne

Soleil -- Atmosphère

Mots clés libres

Physique solaire

Chauffage coronal à petites échelles

Imagerie et spectroscopie UV-EUV

Solar Orbiter

Simulations hydrodynamiques

Observations multi-Instrumentales

Solar Physics

Coronal heating at small scales

UV-EUV Imaging and spectroscopy

Solar Orbiter

Hydrodynamics simulations

Multi-Instrumental observations

Résumé

La couronne solaire est chauffée à plus de 1 MK. L'une des principales théories sur la formation de la couronne (Parker, 1988) suggère que l'énergie magnétique est dissipée dans la couronne par un grand nombre d'événements de chauffage impulsifs et peu énergétiques (1E24 ergs), appelés « nanoflares ». Le 30 mai 2020, lors de sa première séquence d'observation à haute résolution spatiale et temporelle, 1463 petits « événements » EUV de petite taille (400 - 4000 km) et de court temps de vie (10-200 s) ont été détectés dans le Soleil calme (QS) par l'imageur UV à haute résolution HRIEUV (174 Angström), à bord de Solar Orbiter. J'ai étudié si ces événements sont la signature du chauffage par nanoflares.Comme HRIEUV est sensible à une gamme de température continue, en particulier entre 1 MK et 0.3 MK, mon objectif était de vérifier si ces événements atteignent des températures coronales et, par conséquent, s'ils contribuent directement au chauffage coronal.Le 30 mai 2020, seules les données de SDO/AIA permettaient d'effectuer un diagnostic de température. C'est dans ce but que j'ai appliqué la méthode des « décalages temporels » aux canaux EUV de AIA. Ces décalages sont des signatures de chauffage ou de refroidissement pour des températures supérieures à 1 MK, au-delà de laquelle cinq des six canaux d'AIA ont leur pic de réponse. La comparaison des résultats entre les événements et le reste du QS a permis de conclure que les événements ont, pour la plupart, des décalages temporels inférieurs à la cadence d'AIA de 12 s. Des séquences d'observation ultérieures ont confirmé ces résultats avec une cadence d'AIA doublée. J'en ai déduit deux interprétations possibles : (1) les événements n'atteignent pas 1 MK, températures pour lesquelles les fonctions de réponse d'AIA se comportent de façon similaire ; (2) les temps de refroidissement sont trop courts pour que les décalages temporels soient résolus par AIA. Afin de mieux contraindre leur température, j'ai eu recours à la spectroscopie.J'ai donc analysé des observations coordonnées entre HRIEUV, AIA (imagerie), Solar Orbiter/SPICE et Hinode/EIS (spectroscopie) sur le QS, en 2022 et 2023. Tout d'abord, les événements sont détectés dans HRIEUV, puis identifiés dans AIA, ainsi que SPICE ou EIS. A partir des raies spectrales, j'ai construit des courbes de lumière et estimé la distribution de la densité en fonction de la température. J'ai conclu que l'émission de ces événements provient principalement de plasma froid (< 1 MK). Ainsi, la majorité d'entre eux ne contribuent pas directement au chauffage coronal.Afin de comprendre l'origine physique de ces événements, j'ai reproduit leurs signatures observationnelles avec le code d'évolution hydrodynamique 1D HYDRAD. Pour ce faire, j'ai calculé les courbes de lumière synthétiques de petites boucles soumises à un chauffage impulsif, en changeant les paramètres du modèle, tels que la longueur de la boucle ou l'amplitude du chauffage. J'ai cherché les paramètres qui reproduisent le mieux les observations, y compris le pic co-temporel des courbes de lumière. J'ai comparé les résultats pour deux types de boucles qui ont des propriétés très différentes : les boucles « chaudes » (T > 1E5 K) et les boucles « froides » (T < 1E5 K). Les résultats montrent que les boucles froides soumises à un chauffage impulsif sont de bons candidats pour expliquer l'origine des événements détectés par HRIEUV.En conclusion, ces événements ne sont probablement pas, pour la majeure partie d'entre eux, une signature du chauffage coronal, à moins que leur émission coronale ne soit inférieure aux limites instrumentales. Une des conséquences de ce travail est de réévaluer le rôle des petits événements EUV dans le chauffage coronal du QS, car ils pourraient jouer un rôle important dans le chauffage de la partie plus basse et plus froide de l'atmosphère solaire.

The Solar corona temperature is maintained at more than 1 MK. One of the main theories of the coronal formation (Parker, 1988) suggests that the magnetic energy is dissipated into the corona through a high number of impulsive, low energetic (1E24 ergs) heating events, called “nanoflares.” On 30 May 2020, during its first high temporal and spatial resolutions observations, 1463 small (400 - 4000 km) and short-lived (10-200 s) EUV brightenings, referred to as “events”, were detected in the Quiet Sun (QS) by the high-resolution UV imager HRIEUV (174 Angström), on board Solar Orbiter. I tested the possibility that they might be signatures of nanoflare heating.As HRIEUV is sensitive to continuous temperature coverage, in particular between 1 MK and 0.3 MK, my goal was to verify if these events do reach coronal temperatures and, thus, if they contribute directly to the coronal heating.For the 30 May 2020 dataset, only SDO/AIA data were available to perform temperature diagnostics. To do so, I applied the “time lags” method to the coronal channels of AIA. This method provides signatures on plasma cooling or heating above 1 MK, as most AIA channels have their sensitivity peak at these temperatures. I compared the statistics between the events and the rest of the QS and concluded that the events are characterized by short time lags below the AIA cadence of 12 s. These results were confirmed by extending the study to later datasets using a higher AIA cadence of 6s. I proposed two possible interpretations: (1) the events peak below 1 MK, where the AIA response functions behave similarly; (2) the events' cooling time scale is too short to be resolved by the AIA cadence. Spectroscopic observations are thus necessary to better constrain the temperature of these events.To complete this work, I used co-temporal 2022 and 2023 QS data from HRIEUV, AIA (imagers), from Solar Orbiter/SPICE and HINODE/EIS (spectroscopy). I first detected events in HRIEUV and identified them in SPICE or EIS and in AIA. Then, I extracted the light curves from spectral lines emitted in a wide range of temperatures and applied spectroscopic diagnostics to derive the density as a function of temperature. I concluded that the emission of these events mainly originates from plasma below 1 MK. As such, most of them hardly contribute directly to the coronal heating.In order to understand the physical properties driving these events, I reproduced their observational signatures using the HYDRAD 1D hydrodynamics code. To do so, I computed the synthetic light curves from different models of short loops submitted to impulsive heating by changing parameters such as the loop length or the heating strength. I looked for the models that best reproduce the observations, including the light curves co-temporal peak. The work compares the results for two different types of loops that have very distinct properties: “hot” (T > 1E5 K) and “cool” (T < 1E5 K) loops. The results showed that cool loops submitted to impulsive heating are good candidates to explain the origin of most of the events detected by HRIEUV.To conclude, most of these events are probably not the signature of coronal heating phenomena, unless their coronal emission is below the instrumental limitations. One consequence of this work would be to reconsider their role in heating the QS corona, as they might instead provide a major contribution to the heating of the cooler lower solar atmosphere.