Etude en laboratoire des processus d'échange d'énergie particules/plasma magnétisé pertinents pour l'astrophysique

Investigating in the laboratory particle/magnetized plasma energy exchange processes relevant for astrophysics

• Auteur / Autrice : Tessa Waltenspiel
• Direction : Emmanuel d' Humières, Patrizio Antici
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Astrophysique, Plasmas, nucléaire
• Date : Inscription en doctorat le 07/02/2023
• Etablissement(s) : Bordeaux en cotutelle avec L'Institut national de la recherche scientifique (INRS)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences physiques et de l’ingénieur (Talence, Gironde ; 1995-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre Lasers Intenses et Applications
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Interaction, Fusion par Confinement Inertiel, Astrophysique

Mots clés

Mots clés libres

Astrophysique

Physique des plasmas

Optique

Reconnexion magnétique

Astrophysics

Plasma physics

Optics

Magnetic reconnection

Résumé

Le projet de thèse se concentrera sur l'étude en laboratoire de l'énergisation des particules dans deux processus principaux : (1) la reconnexion magnétique et (2) les chocs sans collision. La reconnexion magnétique fait l'objet d'intenses recherches en raison de son rôle présumé dans le chauffage prompt du plasma et l'énergisation des particules qui sont observés dans de nombreux événements spatiaux et astrophysiques, par ex. les arches solaires. Cependant, ce phénomène reste difficile à caractériser et à mesurer avec une résolution suffisante dans tous ces événements distants. A ce titre, nous avons développé une plateforme de laboratoire pour étudier en détail ce processus [Thèse de S. Bolanos]. Les travaux dans ce cadre tireront parti de ces travaux antérieurs pour affiner notre compréhension de la reconnexion magnétique et de l'énergisation des particules, par ex. dans des configurations 3D qui s'écartent des topologies 2D idéalisées utilisées jusqu'à présent en laboratoire et aussi en étudiant le rôle joué par l'instabilité dite de déchirement (tearing) sur l'évolution de la reconnexion. Concernant les chocs sans collision, nous avons récemment montré qu'il était possible de produire en laboratoire de tels chocs pertinents pour les enveloppes du vent solaire et des supernovas ralenties par le milieu ambiant [W. Yao et al., Nature Physics (2021)]. Avec la nouvelle installation Apollon, développant des impulsions multi-PW, nous nous efforcerons de progresser vers la production de chocs plus rapides et d'étudier d'autres étapes d'accélération des particules au-delà du surf de choc que nous avons démontré [W. Yao et al., Nature Physics (2021)]. Avec ce projet, nous espérons avoir un aperçu des phénomènes plasma longtemps débattus qui, grâce à la combinaison de techniques récemment apparues, deviennent accessibles à l'expérimentation en laboratoire, et ainsi obtenir les premiers résultats sur ce sujet très important pour l'ensemble de question de la production de particules hautement énergétiques dans l'Univers.

The PhD project lies in the frame of “laboratory astrophysics”. This new field of research aims at studying plasma processes with e.g. high-power lasers to help deciphering astrophysical phenomena. Specifically, our group has focused on the possibility offered by strong external magnetization of laser-produced plasmas in order to progress in the understanding of astrophysical phenomena. This has lead to significant first results on start formation [B. Albertazzi et al., Science 346, 325 (2014); G. Revet et al., Science Advances 3, no. 11, e1700982 (2017)]. We now want to use our established, and unique, platform to progress on issues on kinetic energy transfer from the plasma to energetic ions. Topic: More precisely, the PhD project will focus at investigating in the laboratory various processes of particle energisation in two main processes: (1) magnetic reconnection and (2) collision-less shocks. Magnetic reconnection is the subject of intense investigations due to its suspected role in the sudden plasma heating and particle energization observed in many space and astrophysical events, e.g. solar arches. However, this phenomenon remains difficult to characterize and measure with sufficient resolution in all these distant events. As such, we have developed laboratory experiments to investigate in detail this process [PhD thesis of S. Bolanos]. The work in this frame will take advantage of such prior work to refine our understanding of magnetic reconnection and of particle energisation, e.g. in 3D configurations that depart from the idealised 2D topologies used up to now in the laboratory and also by investigating the role played by the tearing instability on the evolution of reconnection. Regarding collision-less shocks, we have recently shown that it was possible to produce in the laboratory such shocks of relevance to the solar wind and slow supernova enveloppes [W. Yao et al., Nature Physics (2021)]. With the new facility Apollon, developing multi-PW pulses, we will endeavour moving toward the production of faster shocks and investigate further stages of particle acceleration beyond shock surfing that we demonstrated [W. Yao et al., Nature Physics (2021)]. With this project, we expect to get insight into long-debated plasma phenomena which only now, due to the combination of recently arisen techniques, become accessible to experimentation in the laboratory, and thus to obtain first results on this very important topic for the overall question of the production of highly energetic particle in the Universe.