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Pôle Héliosphère et plasmas astrophysiques (HPA)

mercredi 27 avril 2022

Ce nouveau pôle scientifique du LESIA, créé en 2021, regroupe les anciens pôles physique des plasmas et physique solaire. Il a pour objectif l’étude des mécanismes physiques dans les plasmas naturels en s’appuyant sur la combinaison des études in-situ et à distance des plasmas héliosphériques et hors de l’héliosphère.

 Objectifs et thématiques

Le pôle HPA a pour objectif l’étude des plasmas naturels qui composent 99% de l’Univers. Il analyse les mécanismes physiques en jeu en explorant prioritairement l’héliosphère qui renferme les seuls plasmas naturels accessibles à l’examen in situ par des sondes spatiales. Sont concernées : l’atmosphère du Soleil, de la photosphère à la couronne qui se prolonge dans le vent solaire ; les enveloppes de plasmas terrestre et planétaires (ionosphères et magnétosphères de la Terre, de Mercure et des planètes géantes) qui interagissent avec le vent solaire.

Image composite de l'atmosphère solaire éruptive
Image composite de l’atmosphère solaire éruptive

Observations par l’instrument AIA du satellite SDO de la NASA dans 3 longueurs d’ondes en UV (175,193, 211 Å).
© SDO/AIA (NASA)


Il étudie également les plasmas astrophysiques hors de l’héliosphère : les environnements stellaires, les exoplanètes, magnétisées ou non, et leurs interactions plasma. Enfin, les poussières chargées électriquement et qui sont omniprésentes.


Aurores des planètes géantes
Aurores des planètes géantes

Image composite.
Crédits : L. Lamy, R. Prangé, LESIA/Observatoire de Paris, STSci, ESA/NASA Hubble Space Telescope

Les thématiques du pôle Héliosphère et Plasmas Astrophysiques sont donc interdisciplinaires et reposent sur la combinaison des observations in situ et à distance des plasmas héliosphériques. Elles se basent sur la production et l’exploitation de données multi-messagers, sol et espace, l’élucidation des processus physiques que ces données révèlent grâce à la modélisation théorique et les simulations numériques et la transposition de cette compréhension à l’étude des plasmas plus lointains.


Images animées « goniopolarimétriques » des émissions radio de Saturne vues pas la sonde Cassini
 
La "goniopolarimétrie" consiste à combiner des mesures radio pour déterminer simultanément la direction d’arrivée des ondes et leur polarisation. On peut au final obtenir une image dans le plan du ciel (à gauche dans la vidéo), et une image projetée à la surface de la planète le long des lignes de champ magnétiques (à droite). La polarisation et la fréquence des ondes sont codées en couleurs. Le film couvre 24h d’observation par Cassini, à 5 min. par image. A certains instants, les sources d’émission se concentrent le long d’une ou deux lignes de champ magnétique. La polarisation change quand Cassini passe de l’hémisphère sud à l’hémisphère nord de Saturne.
© B. Cecconi


Le pôle est actif dans divers domaines : le développement d’instruments pour le spatial et pour le sol, l’exploitation scientifique des données de ces instruments, la modélisation, le traitement, l’archivage et la distribution de ces données.

 Composition du pôle

Le pôle est actuellement coordonné par Nicole Vilmer et Baptiste Cecconi.

Au 1er janvier 2022, il est composé de :

  • 18 chercheurs permanents
  • 3 chercheurs émérites
  • 8 doctorants
  • 2 post-doctorants

Deux équipes

  • Héliophysique et exploitation de la mission Solar Orbiter
  • Plasmas planétaires et exoplanétaires

Deux thématiques transversales

  • Météorologie de l’espace
  • Plasmas astrophysiques

Le pôle HPA assure également des enseignements et la coordination de certains services d’observation (ANO ou actions nationales d’observation) de l’INSU :

  • ANO2 Solar Orbiter : responsable partie RPW/STIX.
  • ANO2 BepiColombo SORBET/PWI et JUICE/RPWI : responsable.
  • ANO2 JUICE RPWI : responsable.
  • ANO2 Cluster/STAFF : partenaire.
  • ANO2 MMS : partenaire.
  • ANO2/3 SKATE : partenaire LOFAR & SKA, responsable NenuFAR.
  • ANO3 Station de Radioastronomie de Nançay : responsable NDA.
  • ANO5 APIS : responsable.
  • ANO5 MASER : responsable.
  • ANO6/5 3SOLEIL : coordination et responsabilité de plusieurs services.

 Domaine spatial et instruments embarqués

Pour les observations du Soleil et de l’héliosphère interne, l’accent est mis sur l’exploitation des données des missions structurantes :

  • Solar Orbiter de l’ESA/NASA (les chercheurs du pôle sont PI et Co-I sur les instruments RPW, STIX, EPD),

BepiColombo/MMO fournira aussi des observations de l’héliosphère interne.

Le pôle continue par ailleurs à exploiter les missions STEREO (PI Waves), Wind (PI Waves) et Cluster sur l’orbite terrestre. La combinaison de ces missions constitue un réseau de sentinelles sans précédent pour l’étude du Soleil et de l’héliosphère interne.

Émission radio solaire de type III avec quatre sondes différentes
Émission radio solaire de type III avec quatre sondes différentes

Spectre dynamique des flux radio observés par quatre sondes (de haut en bas : Solar Orbiter, Parker Solar Probe, Stereo-A et WIND) pour l’événement du 11 juillet 2020 vers 2h30.
© S. Musset et M. Maksimovic / LESIA / Observatoire de Paris-PSL

Pour les observations des magnétosphères planétaires, les travaux porteront sur l’exploitation des données de deux missions :

  • La mission NASA Juno (Co-I) et la mission ESA Juice (co-PI RPWI) pour l’étude de la magnétosphère de Jupiter et de ses lunes,
  • La mission ESA/JAXA BepiColombo/MMO (co-PI PWI/SORBET) pour la magnétosphère de Mercure.

Le pôle est également positionné sur les futurs projets ESA de missions d’étude du vent solaire et de la magnétosphère terrestre et sur des projets NASA-ESA de mission vers les planètes géantes glacées ainsi que de sonde interstellaire et d’exploration multi-satellite d’une comète.

Deux projets de nanosatellites embarquant un nouveau récepteur radio numérique développé au LESIA avec le soutien du CNES sont également portés par des chercheurs du pôle :

  • CIRCUS (Characterization of the Ionosphere with a Radio receiver on a Cube Sat) qui est destiné à l’exploration de l’ionosphère terrestre,
  • NOIRE (Nano satellites pour un Observatoire Interférométrique Radio dans l’Espace) qui est un essaim de nanosats dont l’objectif est de faire de l’interférométrie radio très basse fréquence dans l’espace.

 Observations au sol

Les instruments au sol fournissent un complément essentiel à ces données spatiales, et l’accès aux observations des plasmas astrophysiques.

Le pôle assure la responsabilité scientifique des instruments dédiés aux plasmas héliosphériques de la station de radioastronomie de Nançay : le Radiohéliographe (NRH) et le spectrographe ORFEES pour les observations solaires ; le Réseau Décamétrique (NDA) pour la spectropolarimétrie basse fréquence du Soleil et de Jupiter.

Les chercheurs du pôle sont également très impliqués dans la conception et la réalisation des radiotélescopes de nouvelle génération : LOFAR et sa station française à Nançay, et le radiotélescope basses fréquences géant NenuFAR (PI) qui entre en opération. Ces radiotélescopes sont tous deux éclaireurs du projet de radioastronomie mondial SKA (Square Kilometre Array), dans lequel le pôle s’impliquera à long terme pour les observations solaires, certaines observations planétaires, et la recherche de signaux exoplanétaires.

Dans le domaine optique, le pôle est impliqué dans les instruments de surveillance quotidienne du Soleil à Meudon. Au nombre de ceux-ci, le spectrohéliographe et son catalogue centenaire. Il est également impliqué dans la préparation du projet METEOSPACE et l’exploitation scientifique du télescope THEMIS.

Le pôle a en outre un rôle clé dans l’exploitation des moniteurs à neutrons des Iles Kerguelen et de Terre Adélie (rayonnement cosmique galactique et particules solaires de haute énergie) et leur valorisation dans le cadre d’un service de météorologie de l’espace pour l’aviation civile (projet SIEVERT). Il a également la responsabilité d’une antenne VLF installée à Meudon qui détecte les perturbations de l’ionosphère terrestre induites par les éruptions solaires. L’un des objectifs est de réaliser un système d’alerte en temps réel pour la météorologie de l’espace à destination de l’Aviation civile, de l’Armée de l’air et des services internationaux.

 Modélisation

Complémentaires des observations, les simulations numériques des plasmas sont cruciales pour leur étude, que ce soit dans l’atmosphère solaire, le milieu interplanétaire ou les magnétosphères planétaires. Le pôle utilise des codes de type fluide (fondés sur les équations de la magnétohydrodynamique) bien adaptés aux simulations des grandes structures comme les éjections coronales de masse et les magnétosphères planétaires ou exoplanétaires.

Simulation MHD (magnéto-hydrodynamique) du champ magnétique d'Uranus à (...)
Simulation MHD (magnéto-hydrodynamique) du champ magnétique d’Uranus à l’équinoxe

L’axe magnétique de la planète est orienté perpendiculairement à la direction du Soleil (ce qui arrive une fois par rotation). La queue magnétique prend la forme d’une double hélice. Les couleurs représentent la polarité des lignes de champ magnétique.
© L. Griton et F. Pantellini / LESIA / Observatoire de Paris-PSL

Le pôle utilise aussi des codes hybrides ou cinétiques pour l’étude des phénomènes plasmas aux petites échelles.

Il a également développé des codes de modélisation des émissions radio planétaires et exoplanétaires ; de propagation des ondes (tracé de rayons avec polarisation), d’inversion de données spectropolarimétriques (pour la mesure des vecteurs d’ondes et des champs magnétiques vectoriels), et de mesures du bruit quasi-thermique (pour la détermination des paramètres du plasma).

 Archivage et distribution des données

Le pôle participe aux activités du Centre de Données de la Physique des Plasmas (CDPP), contribue au développement de l’Observatoire Virtuel à l’Observatoire de Paris, développe de nouveaux services (Nançay-Data Center, NenuFAR-Data Center) et agit pour la promotion de la science ouverte et du partage des données .

Crédits : L. Lamy et S. Cnudde, LESIA / Observatoire de Paris-PSL

 Pour en savoir plus

Ressources sur le site du LESIA
  • CERCLe : Cycle, Eruptions et Rayonnement Cosmique au LESIA
Autres liens
  • MASER (Measuring Analyzing & Simulating Emissions in Radio frequencies) (in english)
  • APIS (Auroral Planetary Imaging and Spectroscopy)
  • Secchirh - Radio monitoring (in english)
  • Le CDPP (Centre français de Données sur la Physique des Plasmas spatiaux)
  • PADC (Paris Astronomical Data Centre) (in english)