Topic description
Le Soleil génère un flux de particules qui s'écoule en continu et remplit toute l'héliosphère, incluant notre système planétaire. Lors de ses approches sans précédent du Soleil, la mission Parker Solar Probe (PSP, NASA) a fait la découverte surprenante de déviations très fréquentes et brusques du champ magnétique, appelées « switchbacks » (SBs), dans le vent solaire. En raison de leur ubiquité dans l'héliosphère intérieure, et de leur quasi-absence relative à la distance de l'orbite terrestre et au-delà, les SBs sont considérées comme un ingrédient clé des mécanismes complexes de génération du vent solaire. Comprendre leur origine et leur mécanisme de formation est ainsi devenu, ces cinq dernières années, une ligne majeure d'investigation. Les switchbacks devraient fournir des éclairages innovants sur l'une des grandes questions ouvertes en héliophysique : comment le vent solaire est-il généré ?
Trois grandes familles de scénarios ont émergé pour expliquer la formation des SBs : les SBs se forment entièrement in-situ dans le vent solaire, ils trouve leur origine au niveau de la basse dans l'atmosphère solaire ; une combinaison des deux. Les deux derniers scénarios situent l'origine des SBs dans l'activité solaire à petite échelle se produisant continuellement à la base de l'atmosphère solaire. En particulier, les jets solaires sont des phénomènes très courants se manifestant sur une large gamme d'échelles spatiales et temporelles. Les jets solaires sont définis comme des phénomènes transitoires impulsifs, collimatés et se propageant vers l'héliosphère, observées dans l'atmosphère solaire en émission ou en absorption, sur une large gamme de raies spectrales, de températures et d'échelles spatiales.
Notre équipe a récemment développé des simulations innovantes de magnétohydrodynamique (MHD) 3D de génération auto-cohérente de jets solaires et de leur propagation dans l'atmosphère solaire. En particulier, nous avons démontré que certains SBs peuvent effectivement résulter d'ondes de déroulement magnétique induites par des événements de type jets, c'est-à-dire que des jets solaires modélisés peuvent générer la signature in-situ typique des SBs dans l'héliosphère intérieure (Touresse et al. ). Cependant, ces simulations sont très préliminaires et fortement idéalisées.
L'objectif principal du projet de thèse est de développer la prochaine génération de modèles de propagation des jets solaires de la basse atmosphère à l'héliosphère intérieure, et de permettre une comparaison directe avec les données in-situ réelles du vent solaire précoce. Des modèles de jets solaires existent mais sont généralement limités à une petite fraction de la couronne solaire. Le travail de thèse vise à construire une configuration de modèle à l'échelle du Soleil entier. Ces modèles seront développés à l'aide de simulations numériques MHD 3D avec le code ARMS. Pour la première fois, un tel modèle générera de manière auto-cohérente des jets induits dans une configuration topologique magnétique réaliste, incluant des trous coronaux polaires ainsi que des trous équatoriaux. Cette topologie réaliste permettra une étude appropriée de la propagation des jets en relation avec la structure magnétique à grande échelle du Soleil. Les simulations seront ensuite analysées. La dynamique 3D du champ magnétique ainsi que les bilans d'énergie et de forces seront utilisés pour étudier la formation et l'évolution de la propagation de ces jets solaires.
De plus, les signatures de type in-situ seront extraites des simulations et confrontées aux mesures in-situ pour sélectionner les modèles cohérents avec les observations. Le.a doctorant.e utilisera les observations des dernières missions spatiales héliosphériques, telles que Parker Solar Probe, Solar Orbiter, ainsi que la mission récemment lancée PUNCH. Les simulations réalisées dans le cadre de la thèse permettront d'interpréter les données de ces grands projets en héliophysique.
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The Sun generates a flow of particles constantly streaming out of it and filling the whole heliosphere including our planetary system. During its unprecedented approaches of the Sun, the Parker Solar Probe (PSP, NASA) mission has made the puzzling discovery of very frequent and abrupt deflections of the magnetic field, the so-called switchbacks (SBs), in the solar wind. Because of their ubiquity in the inner heliosphere, and relative quasi-absence close to the Earth orbit and beyond, SBs are considered as a key ingredient on the complex generation mechanisms of the solar wind. Understanding their source and generation mechanism, had thus become in the last five years a major line of investigation. Switchbacks are expected to provide innovative insights regarding one of the key open question in heliophysics: how is the solar wind generated?
Three main families of scenarios have emerged to explain the formation of SBs. First, SBs are formed fully in-situ in the solar wind. Second, they have their origin low in the solar atmosphere and third, a combination of both. The last two scenarios place the origin of SBs in the small-scale solar activity occurring continuously at the base of the atmosphere. In particular, solar jets are phenomena very commonly seen in the solar atmosphere, occurring over a wide range of spatial and temporal scales. Solar jets are defined as impulsive collimated outwardly propagating transient features, observed in the solar atmosphere in emission or absorption, in a wide range of spectral lines, temperatures, and spatial scales.
Our team has recently developed innovative 3D magnetohydrodynamics simulations of the self-consistent generation of solar jets and their propagation into the solar atmosphere. In particular, we have demonstrated that some SBs can indeed result from magnetic untwisting waves induced by jet-like events, i.e. that modeled solar jets can indeed generate the typical inner-heliosphere in-situ signature of SB (Touresse et al. ). However, these simulations are very preliminary and highly idealized
The main objective of the PhD project is to develop the next-generation of models of the propagation of solar jets from the low atmosphere to the inner heliosphere and permit direct comparison with actual in-situ early solar wind data. Solar jets models exist but are usually restricted to a small fraction of the solar corona. The PhD work aims at building a model set-up at the whole-sun scale. Those models will be developed using 3D MHD numerical simulations with the ARMS code. For the first time, such model will a self-consistently generate jet induced in a realistic magnetic topological configuration, including polar coronal holes as well as equatorial one(s). This realistic topology will permit the proper study of jet propagation in relation with the Sun large scale magnetic structure. The simulations will then be analysed. 3D dynamics of the magnetic field and energy and force budgets will be used to investigate the formation and evolution of those solar jet propagation.
Moreover, the in-situ like signatures will be extracted from the simulations and confronted to the in-situ measurements to select which models are consistent with the observations. The PhD candidate will make use of observations from the latest heliospheric space missions, such as Parker Solar Probe, Solar orbiter as well as the recently launched PUNCH. The simulations carried within the PhD shall enable to interpret the data from these major projects of Heliophysics.
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Début de la thèse : 03/11/
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ANR
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