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Thèse Année : 2007

Acceleration, transport and radiation of the particles accelerated during a solar flare

Accélération, transport et rayonnement des particules accélérées lors des éruptions solaires

Résumé

A solar flare is a sudden, localized release of magnetic energy into the solar atmosphere. The transfer of this energy to the ambient plasma causes an intense heating of matter to several million degrees and the acceleration of a considerable number of particles to relativistic energies. Once accelerated, the particles propagate along magnetic field lines, emitting a wide range of radiation from radio wavelengths to gamma wavelengths. Since February 2002, the Reuven Ramaty High Energy Solar Spectrometer Imager (RHESSI) satellite has been observing the sun in the X and gamma wavelengths. These new data bring new constraints for understanding the mechanisms of acceleration, propagation and radiation of accelerated particles. It is in this context that the work presented in this manuscript takes place. The first part is devoted to the multi-wavelength analysis of accelerated particle radiation. Such observations allow the study of populations of accelerated particles propagating at different altitudes in the solar corona. During this work, we established the gyro-synchrotron origin of the radio radiation emitted in the metric range during the eruption of November 03, 2003. We also showed that the shock wave accelerating the electrons giving rise to the radiation type II can be created by a displacement of material causing a coronal mass ejection observed in the upper crown. Another aspect of the study of accelerated particles concerns their transport between the site of acceleration and radiation. During its propagation in a magnetized plasma, a particle undergoes numerous interactions that modify its angle of attack relative to the magnetic field as well as its energy and trajectory. The time course and the spectrum of the radiation emitted by the accelerated particles depend on their transport between the acceleration and emission regions. The temporal analysis of X and gamma data from the RHESSI satellite therefore allows a detailed study of accelerated particle transport processes. The second part of this thesis deals with this issue. We show that the temporal profile of X and gamma radiation from the July 23, 2002 eruption can be reproduced within the framework of the modeling of the transport of particles in the solar corona using parameters of the population of accelerated particles and of the ambient plasma. in agreement with the observations of X and gamma spectroimaging. Finally, the last part of this thesis is devoted to the theoretical mechanisms of particle acceleration during solar flares. We introduce a model taking into account the multiplicity of particle accelerating regions during a solar flare. First, we model the process of energy release by a cellular automaton. Each region of energy release - likened to a current layer - is linked to the process of acceleration of particles through the electric field. With this model, we calculate the X flux and the flux of the gamma lines emitted by the accelerated particles. We then introduce a new acceleration model based on as yet unexplored assumptions. We take into account differently the acceleration process of particles in a current layer and the interactions of particles with multiple current layers. With this model, we identify the physical process that can explain the formation of the different parts of the kinetic energy distribution function of accelerated particles.
Une éruption solaire correspond à une libération soudaine et localisée d’énergie magnétique dans l’atmosphère solaire. Le transfert de cette énergie au plasma ambiant provoque un intense chauffage de la matière à plusieurs millions de degré et l'accélération d’un nombre considérable de particules à des énergies relativistes. Une fois accélérées, les particules se propagent le long des lignes de champ magnétiques en émettant une large gamme de rayonnement allant des longueurs d’ondes radio aux longueurs d’ondes gamma. Depuis février 2002, le satellite Reuven Ramaty High Energy Solar Spectrometer Imager (RHESSI) observe le soleil dans les longueurs d’onde X et gamma. Ces nouvelles données apportent de nouvelles contraintes pour la compréhension des mécanismes d’accélération, de propagation et de rayonnement des particules accélérées. C’est dans ce contexte que se situent les travaux présentés dans ce manuscrit. La première partie est consacrée à l’analyse multi longueurs d’onde du rayonnement des particules accélérées. De telles observations permettent l’étude des populations de particules accélérées se propageant à différentes altitudes dans la couronne solaire. Au cours de ce travail, nous avons établis l’origine gyro-synchrotron du rayonnement radio émis dans le domaine métrique lors de l’éruption du 03 Novembre 2003. Nous avons également montré que l’onde de choc accélérant les électrons donnant naissance au rayonnement de type II peut être créée par un déplacement de matière à l’origine d’une éjection de masse coronale observée dans la haute couronne. Un autre aspect de l’étude des particules accélérées concerne leur transport entre le site d’accélération et de rayonnement. Au cours de sa propagation dans un plasma magnétisé, une particule subit de nombreuses interactions qui modifient son angle d’attaque par rapport au champ magnétique ainsi que son énergie et sa trajectoire. L’évolution temporelle et le spectre du rayonnement émis par les particules accélérées dépendent de leur transport entre les régions d’accélération et d’émission. L’analyse temporelle des données X et gamma du satellite RHESSI permet donc une étude détaillée des processus de transport des particules accélérées. La deuxième partie de cette thèse traite de cette problématique. Nous montrons que le profil temporel du rayonnement X et gamma de l’éruption du 23 Juillet 2002 peut être reproduit dans le cadre de la modélisation du transport des particules dans la couronne solaire en utilisant des paramètres de la population de particules accélérées et du plasma ambiant en accord avec les observations de spectro-imagerie X et gamma. Enfin, la dernière partie de cette thèse est consacrée aux mécanismes théoriques d’accélération des particules lors des éruptions solaires. Nous introduisons un modèle tenant compte de la multiplicité des régions d’accélérations des particules au cours d’une éruption solaire. Dans un premier temps, nous modélisons le processus de libération d’énergie par un automate cellulaire. Chaque région de libération d’énergie - assimilée à une couche de courant - est liée au processus d’accélération des particules par l’intermédiaire du champ électrique. Avec ce modèle, nous calculons le flux X et le flux des raies gamma émis par les particules accélérées. Nous introduisons ensuite un nouveau modèle d’accélération basé sur des hypothèses encore non explorées. Nous prenons en compte différemment le processus d’accélération des particules dans une couche de courant et les interactions des particules avec plusieurs couches de courant. Avec ce modèle, nous identifions le processus physique pouvant expliquer la formation des différentes parties de la fonction de distribution en énergie cinétique des particules accélérées.
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Dates et versions

tel-03521223 , version 1 (11-01-2022)

Identifiants

  • HAL Id : tel-03521223 , version 1

Citer

Cyril Dauphin. Acceleration, transport and radiation of the particles accelerated during a solar flare. Physics [physics]. Paris 6, 2007. English. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-03521223⟩
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