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Gaetan Gauthier a soutenu sa thèse "Étude de structures électroniques non-linéaires dans la magnétosphère et le vent solaire : théorie et simulations"
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Le 21 décembre 2023, Gaëtan Gauthier a soutenu sa thèse "Étude de structures électroniques non-linéaires dans la magnétosphère et le vent solaire : théorie et simulations".
Résumé :
Au cours de cette thèse, nous avons fait une étude en deux parties distinctes avec un point commun : l’instabilité de faisceau-plasma (ou « bump-on-tail » en anglais). Dans un premier temps, nous avons étudié les émissions d’ondes électromagnétiques à la fréquence plasma et sa première harmonique dans le contexte héliosphé- rique. Notre étude a été essentiellement numérique et basée sur des simulations (Smilei) massivement parallèles « Particle-In-Cell » (PIC) 2D3V générant des ondes électrostatiques puis électromagnétiques par relaxation d’un faisceau d’électrons à l’origine des sursauts radio de type III qui se propagent dans le plasma du vent solaire. En généralisant les études précédentes, les caractéristiques physiques et numériques de nos simulations nous ont permis d’étudier les modes principaux des ondes associées à ces émissions générées par un couplage non-linéaire. Par un choix de paramètres, nous avons montré que le bruit numérique (inhérent aux codes PIC) pouvait être suffisamment réduit pour nous permettre de modéliser les fluctuations de densité observées dans le vent solaire. Ce qui est une condition permettant de montrer que ces fluctuations, bien que très faibles, peuvent modifier les caractéristiques des émissions.
Dans un second temps, nous nous sommes intéressés à des structures cinétiques non-linéaires appelées « trou d’électron dans l’espace des phases » (ou EH en abrégé) observées dans de nombreuses régions de la magnétosphère. Notre étude a été menée suivant deux approches : (i) Une étude théorique basée sur la méthode intégrale BGK (pour Bernstein-Greene-Kruskal) permettant de déterminer les distributions des particules (électrons et ions) as- sociées à ces EHs, ainsi que leurs conditions d’existence. Nous avons ainsi développé un modèle 3D de symétrie de révolution autour du champ magnétique ambiant, qui tient compte à la fois de la dérive de polarisation des électrons et d’une description plus réaliste des conditions aux limites du plasma avec l’introduction de la vitesse de l’EH par rapport au plasma ambiant. Ce modèle nous a permis de caractériser le rapport entre échelles parallèle et perpendiculaire des EHs dans les différentes régions de la magnétosphère ainsi que certaines restrictions sur leurs conditions d’existence. (ii) La seconde approche est une étude numérique PIC permettant de générer ces EHs avec des conditions initiales réalistes et de les comparer aux observations spatiales in situ. Grâce à une étude paramé- trique, nous avons montré que les conditions du milieu (champ magnétique ambiant, densité du faisceau) impactent leur génération et leur nature (quasi-électrostatique ou avec une composante de champ magnétique interne). Cette étude numérique qualitative et quantitative a notamment permis de préciser certains paramètres comme la densité du faisceau encore difficilement accessible aux mesures des missions spatiales, ainsi que d’autres caractéristiques fondamentales des EHs telles que leur vitesse de propagation ou encore la conservation et la conversion d’énergie en leur sein.
Jury :
• Olga Alexandrova (Lesia), examinatrice ;
• Andréa Ciardi (Lerma), examinateur ;
• Vincent Génot (Irap), rapporteur ;
• Pierre Henri (Lagrange), rapporteur ;
• Chadi Salem (Ssl Berkeley), examinateur ;
• Philippe Savoini (Lpp), directeur de thèse ;
• Olivier Le Contel (Lpp), invité (co-directeur) ;
• Thomas Chust (Lpp), invité (co-directeur)
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