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Emissions électromagnétiques des sursauts radio de type III observés durant les éruptions solaires : le rôle crucial joué par les fluctuations de densité du vent solaire

Lors des sursauts solaires de type III, des faisceaux d’électrons accélérés à de hautes énergies se propagent dans la couronne et le vent solaires, générant in fine des émissions électromagnétiques à la fréquence plasma ωp et son harmonique 2ωp, observées au voisinage de la Terre et dans le vent solaire, comme récemment par les missions Parker Solar Probe et Solar Orbiter. Elles résultent d’une série de phénomènes linéaires et non-linéaires où la turbulence des ondes de Langmuir générée par les faisceaux d’électrons ainsi que les interactions ondes-ondes, ondes-particules et ondes-plasma jouent un rôle essentiel. Cependant, les mécanismes physiques en jeu sont loin d’être élucidés à ce jour, en partie à cause des fluctuations aléatoires de densité qui caractérisent les plasmas du vent solaire et modifient de façon cruciale les prédictions des modèles théoriques existants, élaborés pour des plasmas homogènes.

Des simulations numériques Particle-In-Cell (PIC) à deux dimensions (2D) ont permis d’étudier le rayonnement électromagnétique émis à la fréquence plasma fondamentale ωp par un faisceau d’électrons se propageant dans un plasma du vent solaire caractérisé par des fluctuations de densité aléatoires, dans des conditions physiques typiques des sursauts solaires de type III (Krafft and Savoini, APJL, 917:L23, 2021, Krafft and Savoini, APJL, 924:L24, 2022). La dynamique des ondes, du faisceau et du plasma sont calculées sur plusieurs milliers de périodes plasma ωp-1, dans les cas d’un plasma homogène et d’un plasma inhomogène présentant des fluctuations de densité de l’ordre de 5%. Ces simulations 2D-PIC, réalisées sous de fortes contraintes physiques et numériques (hautes résolutions spatiale et temporelle et conditions physiques réalistes), constituent un véritable défi eu égard aux résultats obtenus jusqu’alors dans la littérature. Pour la première fois, l’impact essentiel des fluctuations aléatoires de densité de quelques pourcents inhérentes aux plasmas du vent solaire sur les mécanismes physiques gouvernant le rayonnement électromagnétique à la fréquence ωp est démontré et caractérisé. Les résultats obtenus montrent que non seulement les interactions non-linéaires entre ondes mais aussi les processus de transformations des ondes formant la turbulence de Langmuir sur les fluctuations de densité (réflexion, réfraction, diffusion, tunneling, conversion, localisation, auto-organisation), contribuent de façon conséquente à la génération des émissions à la fréquence ωp.

Pendant la relaxation du faisceau, la quantité d’énergie électromagnétique rayonnée à la fréquence ωp dans un plasma aléatoirement inhomogène (Krafft and Savoini, APJL, 924:L24, 2022) excède fortement celle observée lorsque le plasma est homogène. De plus, la fraction de l’énergie des ondes de Langmuir participant à la génération des émissions électromagnétiques à ωp sature autour de 10-4, i.e. un ordre de grandeur au-dessus de celui atteint lorsque le plasma est homogène. Alors que l’émission à la fréquence 2ωp excède toujours l’émission fondamentale à ωp dans un plasma homogène, cette dernière est largement dominante lorsque le plasma contient des fluctuations de densité aléatoires, au moins pendant plusieurs milliers de périodes plasma ωp-1 avant d’être dominée par l’émission à 2ωp lorsque l’énergie électromagnétique totale sature. Pour la première fois on a démontré le rôle crucial joué par les fluctuations de densité du vent solaire dans les mécanismes d’interactions ondes-ondes et ondes-matière à l’origine des transformations de la turbulence d’ondes de Langmuir générée par un faisceau de particules en rayonnement électromagnétique lors des sursauts solaires radio de type III.

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Figure 1
Distributions de la densité spectrale d’énergie magnétique log10(|Bzk|2) des ondes émises à la fréquence ωp, pour un niveau moyen de fluctuations de densité du plasma ΔN = 0.05. Les spectres sont représentés aux temps ωpt = 145, 680, 940, 1485, 2020 et 3100. Un cercle vert représentant les émissions théoriques est superposé aux spectres aux premiers et derniers temps. La même échelle est utilisée pour tous les graphiques. Toutes les variables sont normalisées.

Les ondes électromagnétiques émises à la fréquence 2ωp (Krafft and Savoini, APJL, 917:L23, 2021), sont produites par des processus non-linéaires de coalescence entre deux ondes de Langmuir, malgré les interactions de ces ondes avec les fluctuations de densité qui affectent fortement leurs distributions spectrales ; asymptotiquement, elles présentent des spectres isotropisés alors qu’un rayonnement quadrupolaire est observé en plasma homogène. La fraction de l’énergie initiale du faisceau qui leur est transférée est plus faible d’un ordre de grandeur que dans le cas d’un plasma homogène, alors que le rapport entre leur énergie et l’énergie transportée par la turbulence des ondes de Langmuir est notablement supérieur pendant toute la phase non-linéaire.

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Figure 2
Distributions des densités d’énergie magnétique spectrale normalisées log10(|Bzk|2) émises à la fréquence harmonique 2ωp, dans le plan des vecteurs d’ondes (kx,ky), pour un plasma homogène (ligne supérieure) et un plasma avec des fluctuations de densité de niveau moyen ∆N = 0.05 (ligne inférieure). Le temps ωpt correspondant à chaque colonne est indiqué. La même échelle est utilisée pour tous les graphiques. Toutes les variables sont normalisées.

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