Le rôle de la reconnexion magnétique dans la formation de cordes de flux et « switchbacks » dans l’héliosphère

Soutenance de thèse de Naïs Fargette (Salle de Conférence, IRAP Roche)

Résumé de la thèse :

En physique des plasmas, la reconnexion magnétique est un processus fondamental, omniprésent dans les systèmes astrophysiques. Ce mécanisme remarquable convertit l’énergie magnétique en énergie cinétique et thermique sur des échelles cinétiques, de ce fait accélérant et chauffant le plasma tout en permettant une reconfiguration globale de la topologie du champ magnétique. De façon spectaculaire, les changements induits à l’échelle microscopique conduisent, par exemple, à un remodelage complet et à grande échelle du champ magnétique d’une planète ou d’une étoile. De par son accessibilité, l’environnement proche de la Terre est un parfait laboratoire astrophysique pour étudier les plasmas spatiaux. Ces dernières années, de nombreuses missions spatiales ont été lancées pour étudier les propriétés in situ des plasmas dans l’environnement Soleil-Terre, ainsi que le processus de reconnexion magnétique. Equipées pour dévoiler de nouvelles caractéristiques sur ces milieux, elles ont notamment mis en lumière des structures qui n’avaient pas été observées auparavant de part une résolution instrumentale insuffisante ou une absence de données antérieures.

Ce manuscrit se concentre sur des structures observées à la magnétopause terrestre d’une part et dans le vent solaire d’autre part, et qui ont un impact significatif sur leur environnement. Notre approche a pour but d’expliquer les processus de formation en jeu pour ces structures à travers des études statistiques.

Dans une première partie, nous étudions des structures magnétiques qui se propagent le long de la magnétopause terrestre, transportant des quantités importantes d’énergie et appelées Evènements de Transfert de Flux (FTE). Plus particulièrement, des FTE d’un nouveau genre ont été observées ces dernières années, présentant une signature de reconnexion magnétique en leur centre. Une telle observation remet en cause les modèles classiquement mis en avant pour expliquer leur structure interne. A travers une étude statistique des FTEs, nous avons pu mieux comprendre leur topologie magnétique et déterminer les facteurs environnementaux jouant un rôle dans leur apparition. Ces analyses nous renseignent sur les mécanismes de formation des FTE qui implique le processus de reconnexion magnétique sur le côté jour de la magnétopause. Nous présentons également des observations de structures similaires dans le vent solaire, soulignant que le processus en jeu à la magnétopause terrestre est probablement également à l’œuvre dans le vent solaire.

Dans une seconde partie, nous passons de l’environnement terrestre à l’héliosphère interne, où les switchbacks magnétiques sont omniprésents dans le vent solaire proche du Soleil. Les switchbacks sont des déflections du champs magnétique qui vont jusqu’à renverser sa composante radiale, et qui sont de plus accélérées par rapport au vent solaire de fond. A travers une étude systématique de leurs échelles caractéristiques ainsi que de leur orientation, nous montrons que les switchbacks sont probablement liés à des structures de surfaces tels que la granulation ou la supergranulation. Nous concluons que leurs propriétés sont cohérentes avec une formation dans la basse atmosphère à travers le processus de reconnexion d’interchange.

La reconnexion magnétique est un fil conducteur dans ce travail, omniprésente à la magnétopause terrestre et dans le vent solaire, et menant à la formation de structures impactant significativement leur environnement. Dans la dernière partie du manuscrit, nous présentons une nouvelle méthode prometteuse de détection automatique des signatures de jets de reconnexion, inspirée du processus d’identification visuelle de ces jets. Un tel algorithme de détection automatique permet d’envisager des études statistiques de jets de reconnexion observés dans le vent solaire, ce qui serait une avancée importante dans la compréhension du phénomène de la reconnexion magnétique.

Composition du jury de thèse

• Mme Karine  ISSAUTIER        – Rapporteuse              (Directrice de recherche, LESIA, CNRS, Meudon)
• Mr    Fouad   SAHRAOUI        – Rapporteur                (Directeur de recherche, LPP, CNRS, Paris)
• Mme Aurélie MARCHAUDON   – Examinatrice             (Directrice de recherche, IRAP, CNRS, Toulouse)
• Mr    Tai       PHAN                – Examinateur              (Senior Fellow, SSL, UC Berkeley, Berkeley)
• Mr    Marco  VELLI                – Examinateur              (Professor, UCLA, Los Angeles)
• Mr    Benoit   LAVRAUD         – Directeur de thèse      (Directeur de recherche, LAB, IRAP, CNRS)
• Mr    Alexis   ROUILLARD       – Co-directeur de thèse (Chargé de recherche, IRAP, CNRS, Toulouse)