Étude des sursauts solaires en laboratoire par interaction laser-plasma

Study of solar bursts in the laboratory by laser-plasma interaction

• Auteur / Autrice : Louise Cornet
• Direction : Frédéric PÉrez
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Physique
• Date : Inscription en doctorat le 01/10/2024
• Etablissement(s) : Institut polytechnique de Paris
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de l'Institut polytechnique de Paris
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire pour l'Utilisation des Lasers Intenses

Mots clés

Mots clés libres

Plasmas

Lasers

Électrodynamique classique

Physique numérique

Plasmas

Lasers

Classical electrodynamics

Numerical physics

Résumé

Le soleil est le lieu d'une activité intense à l'origine de phénomènes violents comme les éruptions solaires ou l'accélération de particules. Le sujet de cette thèse concerne en particulier les sursauts solaires : d'intenses émissions radio (détectées par des télescopes terrestres ou des sondes spatiales) provenant de divers types d'activité solaire. Ces émissions peuvent parfois être suffisamment intenses pour perturber/endommager les satellites ou les systèmes électriques terrestres. En général, ces sursauts solaires sont induits par des faisceaux d'électrons se propageant dans l'atmosphère du soleil. Ainsi, étudier les caractéristiques des émissions radio peut fournir des informations sur les mécanismes d'accélération d'électrons ainsi que sur les conditions du plasma qu'ils traversent. Au cours de leur propagation, ces électrons énergétiques excitent dans le plasma des ondes de Langmuir (LW). La décroissance et le couplage de ces LW primaires génèrent des ondes électromagnétiques (EM) à la fréquence plasma ωp ou à sa première harmonique 2ωp, détectées par les télescopes dans le domaine des ondes radio. Plusieurs mécanismes peuvent être responsables de la conversion des LW en rayonnement EM, théoriquement conduisant à des signatures différentes dans leur diagramme d'émission, leur polarisation et le rapport d'intensité entre les émissions ωp et 2ωp. Notre équipe a démontré, lors d'expériences sur le laser haute-énergie LULI2000, que le même rayonnement électromagnétique à ωp et 2ωp peut être reproduit par interaction laser-plasma. Le principe de ces expériences est de remplacer le faisceau d'électrons par un laser : au lieu de générer les LW via un faisceau d'électrons, les LW sont produites par instabilité Raman. Dans le scénario solaire, la polarisation de ces émissions à ωp et 2ωp ne suit pas toujours les prédictions théoriques, possiblement en raison d'une configuration complexe du champ magnétique. Pour établir expérimentalement l'effet d'un champ magnétique sur ces émissions EM, nous proposons d'étudier en laboratoire (sur le laser LULI2000 en particulier) leur génération et leurs caractéristiques en présence d'un champ magnétique statique externe. L'étude expérimentale sera complétée par la réalisation et l'analyse de simulations numériques via un code de simulation des plasmas irradiés par laser.

The sun is the site of intense activity causing violent phenomena such as solar flares or the acceleration of particles. The subject of this thesis concerns in particular solar bursts: intense radio emissions (detected by terrestrial telescopes or space probes) coming from various types of solar activity. These emissions can sometimes be intense enough to disrupt/damage satellites or terrestrial power systems. In general, these solar bursts are induced by electron beams propagating in the sun's atmosphere. Thus, studying the characteristics of radio emissions can provide information on the mechanisms of electron acceleration as well as the conditions of the plasma they pass through. During their propagation, these energetic electrons excite Langmuir waves (LW) in the plasma. The decay and coupling of these primary LWs generate electromagnetic (EM) waves at the plasma frequency ωp or at its first harmonic 2ωp, detected by telescopes in the radio wave domain. Several mechanisms may be responsible for the conversion of LW into EM radiation, theoretically leading to different signatures in their emission pattern, their polarization and the intensity ratio between ωp and 2ωp emissions. Our team demonstrated, during experiments on the LULI2000 high-energy laser, that the same electromagnetic radiation at ωp and 2ωp can be reproduced by laser-plasma interaction. The principle of these experiments is to replace the electron beam with a laser: instead of generating the LW via an electron beam, the LW are produced by Raman instability. In the solar scenario, the polarization of these emissions at ωp and 2ωp does not always follow theoretical predictions, possibly due to a complex configuration of the magnetic field. To experimentally establish the effect of a magnetic field on these EM emissions, we propose to study in the laboratory (on the LULI2000 laser in particular) their generation and their characteristics in the presence of an external static magnetic field. The experimental study will be completed by carrying out and analyzing numerical simulations via a code for simulating laser-irradiated plasmas.