Caractériser les plasmas spatiaux grâce à l'analyse multi-points des données collectées par une constellation de satellites

Characterizing space plasmas through the multi-point analysis of data collected by a constellation of satellites

• Auteur / Autrice : Mehul Chakraborty
• Direction : Matthieu Kretzschmar
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Sciences de l'Univers
• Date : Inscription en doctorat le 01/10/2023
• Etablissement(s) : Orléans
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Énergie, Matériaux, Sciences de la Terre et de l'Univers (Centre-Val de Loire ; 2012-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de physique et chimie de l'environnement et de l'espace (Orléans ; 2012-...)

Mots clés

Mots clés libres

Plasmas spatiaux

Astrophysique

L'analyse multi-points

Space plasmas

Astrophysics

Multi-point analysis

Résumé

L'état naturel de la matière dans l'espace interplanétaire et dans l'environnement spatial de la Terre et des planètes est sous forme de plasma. La communauté scientifique a développé depuis de nombreuses années des instruments embarqués à bord de satellites pour l'étude des plasmas spatiaux. Néanmoins, la mesure des paramètres du plasma effectuée à bord d'un seul satellite ne donne qu'une description partielle de l'environnement traversé, et ne permet notamment pas de distinguer les variations temporelles des variations spatiales. En effet, les mesures réalisées par le satellite à deux pas de temps distincts ne sont pas effectuées au même endroit. Pour surmonter cette difficulté, des missions comprenant chacune plusieurs satellites identiques ont été lancées par la communauté scientifique, notamment les missions à 4 satellites CLUSTER (de l'agence spatiale européenne -ESA-, 2000) et MMS (de la NASA, 2015). Des techniques spécifiques ont été développées pour l'analyse multipoints des données produites par ces missions. Ces missions et techniques d'analyses multipoints nous ont permis de faire des avancées significatives dans notre connaissance des processus physiques à l'œuvre dans les plasmas spatiaux. Toutefois, elles sont limitées à l'étude des fluctuations à une seule échelle spatiale à la fois, alors que les phénomènes de couplage entre échelles sont fondamentaux pour le comportement des plasmas et nécessitent l'utilisation d'au moins 7 satellites. L'essor des constellations de nano satellites rend maintenant possible ces observations multi échelles qui vont nous faire franchir un pas essentiel dans la physique des plasmas. Deux projets nous intéressent particulièrement : la mission HELIOSWARM, une constellation de 9 satellites dédiée à la turbulence du vent solaire et sélectionnée par la NASA pour un lancement prévu en 2029, et la mission Plasma Observatory, une constellation de 7 satellites dédiée à l'étude de l'énergisation des particules dans la magnétosphère terrestre en compétition pour un lancement avec l'ESA prévu en 2037. Afin de maximiser le retour scientifique de ces missions, l'exploitation scientifique des données produites par ces futures missions nécessite une revisite et une adaptation des techniques d'analyse multi points développés pour CLUSTER, THEMIS et MMS. Le travail de thèse se situe ainsi dans le contexte de la préparation de ces futures grandes missions de la discipline, qui produiront des jeux de données inédit grâce à des constellations de satellites. Le LPC2E, laboratoire d'accueil de la thèse, possède une expertise reconnue dans l'analyse des données multipoints grâce à la mission CLUSTER, et est fortement impliqué dans les deux futures missions citées plus haut pour lesquelles il fournit des instruments. Le (la) candidat.e retenu.e devra dans un premier temps s'approprier les techniques multi points existantes, puis s'attachera à développer de nouvelles techniques d'analyse, dont certaines sont déjà à l'étude par les encadrants. Ces techniques pourront être testées et validées sur des données réelles (issues, par ex, des mesures à 4 points de la mission CLUSTER) ainsi que sur des données synthétiques représentatives des futures missions et générées à partir de simulations numériques de plasmas spatiaux. L'objectif est que les résultats obtenus pendant la thèse deviennent des références pour l'analyse des futures missions multi points. L'étudiant.e intègrera l'équipe Plasmas Spatiaux du LPC2E, qui offre un cadre de travail agréable et stimulant ainsi que la possibilité d'assister aux conférences de la discipline. La thèse est financée. La limite de candidature est le 15 avril 2023 et les candidat.e.s intéressé.e.s doivent donc rapidement contacter les encadrants.

The matter in the interplanetary space and around the Earth and other planets is in the form of plasma. The scientific community has been developing instruments embarked on board satellites to study space plasma for many years, however, the measurement of plasma parameters on board a single satellite gives only a partial description of the environment; in particular, it does not allow to distinguished between temporal and spatial variations as the measurements taken by the satellite at two different time steps are not taken at the same location. To overcome this difficulty, missions based on several identical satellites have been launched by the scientific community, in particular the 4-satellite CLUSTER (European Space Agency -ESA-, 2000) and MMS (NASA, 2015) missions. Specific techniques have been developed for the multi-point analysis of the data produced by these missions. Both these missions and techniques have allowed us to make significant advances in our understanding of the fundamental physical processes at work in space plasmas. However, they are limited to the study of phenomena occurring at a single spatial scale at a time, whereas the coupling between different scales, e.g, fluid and kinetic scales, is fundamental to understand the behaviour of space plasmas. Measuring simultaneously multiple scales require the use of at least 7 satellites and the rise of nano-satellite constellations now makes these multi-scale observations possible. There are two major future multi spacecraft missions that will allow major breakthroughs in plasma physics: the HELIOSWARM mission, a constellation of 9 satellites dedicated to solar wind turbulence and selected by NASA for launch in 2029, and the Plasma Observatory mission, a constellation of 7 satellites dedicated to the study of particle energization in the Earth's magnetosphere, in competition with ESA for a launch in 2037. Maximising the scientific return of these missions requires a revisiting and adaptation of the multi-point analysis techniques developed for CLUSTER and MMS. The PhD work will thus take place in the context of the preparation of these future large missions, which will produce unprecedented data sets thanks to satellite constellations. The LPC2E is strongly involved in these two future missions, for which it provides instruments, and it has a recognized expertise in the analysis of multipoint data thanks to the CLUSTER mission. The successful candidate will first have to study existing multipoint techniques and then develop new analysis techniques, some of which are already being initiated by the team. These techniques will be tested and validated on real data (e.g. from the 4-point measurements of the CLUSTER and MMS missions) as well as on synthetic data generated by numerical simulations of space plasmas. The objective is that the results obtained during the PhD become references for the analysis of future multi-point missions. The student will join the LPC2E Space Plasma team, which offers a pleasant and stimulating working environment as well as the possibility to attend conferences. The funding is secured. The deadline for applications is 15 April 2023; interested candidates should contact the supervisors as soon as possible.