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Résumé du projet en français
Le projet HeliSol est un projet jeune-chercheur en recherche fondamentale sur la physique de l’héliosphère et plus particulièrement sur les relations Soleil-Terre. Son but est d’améliorer notre prévision de l’impact de l’activité solaire sur l’environnement magnétique de la Terre. HeliSol vise au développement d’outils nouveaux pour l’étude et la compréhension du déclenchement d’évènements énergétiques solaires. Il s’attache à étudier une quantité peu exploitée en physique solaire : l’hélicité magnétique.
L’hélicité magnétique est une des rares quantités conservées au sein de la magnétohydrodynamique (MHD), le paradigme physique dans lequel sont généralement étudiées les régions d’activité du Soleil. Des résultats théoriques, analytiques et observationnels préliminaires semblent indiquer que l’hélicité magnétique joue probablement un rôle clef dans l’activité solaire. Néanmoins les mesures de cette quantité ont été jusqu’alors limitées du fait de leur complexité inhérente. En s’appuyant sur de nouvelles méthodes robustes de mesure de l’hélicité, le projet HeliSol s’attachera à étudier de manière approfondie cette quantité dans l’atmosphère solaire directement à partir d’observations ainsi qu’à l’aide de simulations numériques MHD 3D de pointe.
D’un point de vue observationnel, HeliSol exploitera les cartes de champ magnétiques obtenues par des missions spatiales actuelles (e.g., Solar Dynamics Observatory, Hinode) afin de déterminer le flux d’hélicité magnétique à travers la surface du Soleil. Parallèlement des méthodes de reconstruction 3D du champ magnétique solaire seront utilisées pour mesurer l’hélicité magnétique des régions actives. Ces deux types de mesure permettront de caractériser les centres actifs solaires en termes d’hélicité, ceci en lien avec leur éruptivité. De plus, HeliSol générera des études numériques poussées s’appuyant sur des codes de simulations fonctionnant sur les centres de calcul de haute performance nationaux (e.g. CINES). HeliSol étudiera l’accumulation de l’hélicité magnétique dans des simulations de formation des régions actives solaires. Ces études numériques seront comparées avec les résultats observationnels. Finalement la dynamique de l’hélicité lors du déclenchement des éruptions solaires sera analysée. HeliSol s’attachera à identifier dans ces simulations numériques la dynamique de l’hélicité magnétique ainsi que l’existence de critères clairs la liant au déclenchement des phénomènes éruptifs.
HeliSol aboutira au développement théorique et à l’application pratique de nouvelles méthodes de mesure de l’hélicité magnétique dans l’atmosphère solaire. Il générera des études observationnelles et numériques permettant une meilleure compréhension de son rôle sur l’activité solaire. HeliSol vise donc à obtenir des critères permettant de prédire de manière déterministe le déclenchement des éruptions solaires et de permettre une amélioration substantielle de la capacité des centres de prévision à anticiper ces évènements, dont les méthodes sont aujourd’hui uniquement basées sur une approche heuristique. Au-delà de ces applications à la météorologie de l’espace, HeliSol est un projet de recherche fondamentale qui permettra une meilleure compréhension de la dynamique physique des plasmas, qui composent 99% de la matière visible de notre univers.
Objectifs globaux, verrous scientifiques/techniques
HeliSol est un projet de recherche fondamental portant sur la physique de l’Héliosphère et plus particulièrement sur les relations Soleil-Terre. Les objectifs de ce projet concernent l’amélioration de notre compréhension de l’impact de l’activité du Soleil (e.g. éruption solaires) sur l’environnement électromagnétique de la Terre. HeliSol conduira éventuellement au développement de nouveaux outils permettant d’étudier, de simuler et de prédire le déclanchement des éjections de masse coronales qui impactent régulièrement la Terre. HeliSol s’attachera pour cela à mieux comprendre le rôle de l’hélicité magnétique lors des éruptions solaires.
L’hélicité magnétique est un des rares invariants de la magnétohydrodynamique (MHD), le paradigme physique dans lequel sont généralement étudiés les éruptions solaires. HeliSol permettra de développer une nouvelle manière d’étudier les éruptions en se basant sur le principe physique solide de la conservation de l’hélicité magnétique. Cette quantité ne pouvant être simplement dissipée, il a été conjecturé que la conservation de l’hélicité magnétique est la raison d’être de l’existence des éjections de masse coronales. Des résultats observationnels antérieurs suggèrent que l’hélicité magnétique est un élément nécessaire au déclenchement des éruptions solaires. Des résultats numériques montrent aussi que l’hélicité magnétique influence directement la dynamique du mécanisme au cœur des éruptions solaires : la reconnexion magnétique.
Il existe néanmoins un verrou majeur qui a, jusqu’ici, fortement diminué et ralenti les recherches portant sur l’hélicité magnétique : la difficulté de mesurer effectivement cette quantité. L’hélicité magnétique n’est pas une grandeur physique classique. Cette quantité, liée au nombre de liens du mathématicien F. Gauss, est une quantité non-locale qui permet de quantifier le niveau d’entortillement des lignes de champ magnétique. Sa mesure nécessite de connaitre la géométrie 3D des lignes de champ magnétiques. Or dans l’atmosphère solaire le champ magnétique n’est observé et mesuré régulièrement qu’au niveau de la surface solaire. L’étude de l’hélicité magnétique en physique solaire nécessite ainsi d’utiliser des modèles et des méthodes indirectes.
L’équipe scientifique impliquée dans le projet HeliSol a récemment développé plusieurs méthodes innovantes permettant de mesurer de manière consistante l’hélicité magnétique dans un jeu de données 3D, de mesurer plus précisément le flux de l’hélicité à travers une surface, ainsi que cartographier la distribution 3D de cette quantité. Ceci permet désormais d’étudier l’hélicité et de répondre à quatre questions centrales liées à sa physique dans l’atmosphère solaire : Comment l’hélicité est elle injectée et s’accumule t’elle dans l’atmosphère solaire ? Comment mesurer de manière plus précise cette quantité dans les différentes couches de l’atmosphère solaire ? Comment évolue l’hélicité lors des violentes éruptions solaires ? Est-il possible de construire un proxy basé sur l’hélicité magnétique permettant la prédiction effective et déterministe des éruptions solaires ? La réponse à ces questions constitue l’objectif du projet HeliSol.
Programme de travail
Le travail effectué dans le cadre du projet HeliSol va se décomposer en trois grands lots de travaux fortement liés. Ces ensembles de travaux sont distribués en fonction des méthodes mises en œuvre pour mesurer l’hélicité magnétique, et du domaine physique d’étude. Alors que chaque ensemble de taches permettra de répondre à des questions spécifiques propres, d’autres objectifs scientifiques de HeliSol nécessiteront une coordination des méthodes.
Le premier lot de taches (WP1) portera sur l’étude du flux d’hélicité magnétique, en particulier au niveau de la surface solaire. Nous utiliserons les cartes de champ magnétique produites par spectro-polarimétrie par les satellites (Hinode, Solar Dynamics Observatory). A partir de ces cartes nous déduirons la vitesse de transport du flux magnétique qui nous permettra d’estimer le flux d’hélicité magnétique. Cette méthode sera aussi utilisée avec les données des simulations numériques (WP2 & WP3). Nous évaluerons l’influence de la méthode de mesure du champ magnétique et des vitesses sur la précision de la mesure de l’hélicité. A partir des reconstructions 3D du champ magnétique coronal (WP2), nous utiliserons des méthodes de cartographie 3D du flux d’hélicité pour identifier les régions actives possédant des hélicités de signe opposé que nous corrélerons avec leur éruptivité. Ceci nous permettra de déterminer observationnellement le rôle de l’annihilation d’hélicité magnétique dans la génération d’éruptions plus violentes.
Le second ensemble de travaux (WP2) portera sur l’étude de l’hélicité magnétique en 3D dans le volume coronal. Nous reconstruirons en 3D (extrapolation) le champ magnétique coronal à partir des cartes magnétiques de la surface solaire (obtenue par le WP1). L’hélicité dans le volume sera ensuite directement estimée grâce aux méthodes que nous avons récemment développées. La comparaison avec le flux d’hélicité (WP1) nous permettra de mieux comprendre l’accumulation de l’hélicité dans les centres actifs observés. Nous utiliserons ce même type d’approche avec des simulations numériques magnétohydrodynamique (MHD) 3D de formation des régions actives solaires (émergence de flux). La comparaison des résultats observationnels et des simulations permettra, in fine, une meilleure modélisation de l’apparition et de la structuration magnétique des régions actives.
Le troisième lot (WP3) portera sur l’étude spécifique de l’hélicité magnétique lors des éruptions et sa dynamique lors de la reconnexion magnétique. WP3 se reposera sur des simulations numériques MHD 3D existantes et d’autres spécifiquement produites pour répondre aux objectifs d’HeliSol. Ces simulations seront générés avec les codes OHM, développé au sein même de l’équipe d’HeliSoL, et ARMS, que nous utilisons avec succès quotidiennement au niveau des centres de calculs de haute performance français (Meso-Centre PSL*, CINES). Le WP3 développera une nouvelle méthode d’analyse de l’hélicité magnétique : l’hélicité par ligne de champ magnétique. Cette nouvelle vue de l’hélicité, en lien avec les WP1 et WP2, nous permettra de suivre la dynamique précise de l’hélicité lors des évènements actifs et en particulier le transfert de l’hélicité vers les structures torsadés qui constituent le cœur des éruptions solaires. Nous qualifierons ainsi plus précisément le domaine de validité de la conservation de l’hélicité magnétique lors des évènements éruptifs. D’autre part, nous rechercherons ainsi des critères déterministes d’éruptivités basés sur l’hélicité magnétique.
Ces travaux seront conduits par une équipe de recherche restreinte mais très qualifiée du LESIA, en collaboration avec quelques experts internationaux, réunissant une expertise complète sur l’ensemble des domaines techniques mis en œuvre, aussi bien observationnels, analytiques que numériques.
Retombées scientifiques, techniques, économiques
Pour une société qui se repose de plus en plus sur des technologies embarquées dans l’espace , la prévision de l’activité solaire va devenir, comme la météorologie terrestre, un enjeu économique majeur. Les connaissances acquises sur la physique des relations Soleil-Terre, constitueront le cœur de la discipline de la météorologie de l’espace à laquelle on fera quotidiennement appel dans le futur. Le projet HeliSol est un projet de recherche fondamentale qui s’inscrit dans une stratégie de développement de prédictions fiables des éruptions solaires. A ce jour les centres de prévision utilisent des méthodes basées sur une approche heuristique. HeliSol vise à obtenir des critères permettant de prédire de manière déterministe le déclenchement des éruptions solaires et d’améliorer ainsi de manière substantielle la capacité de ces centres de prévision à anticiper ces évènements. A l’échelle de 10-20 ans, HeliSol contribuera donc à une meilleure protection des biens produits et utilisés par l’industrie spatiale.
A l’échelle des 4 ans, HéliSol aboutira au développement théorique et à l’application pratique de nouvelles méthodes de mesure de l’hélicité magnétique dans l’atmosphère solaire. Il générera des études observationnelles et numériques permettant une meilleure compréhension de son rôle sur l’activité solaire. Les travaux entrepris par HéliSol permettront de comprendre comment cette quantité évolue dans l’atmosphère Solaire notamment lors des éruptions. HéliSol donnera les moyens de quantifier le lien entre hélicité magnétique et éruptivité des régions actives solaires ainsi que son impact sur le mécanisme naturel au centre des ces évènements : la reconnexion magnétique. Au cours du projet seront aussi développées de nouvelles méthodes et de nouveaux codes de mesure de l’hélicité qui pourront par la suite être employés par l’ensemble de la communauté scientifique. Les simulations numériques produites par HéliSol pourront elles-aussi être mise à la disposition de la communauté via les Observatoires Virtuels Théoriques. Enfin, les résultats théoriques d’HéliSol, bien que centrés sur la problématique de l’Héliosphère, pourront s’appliquer à d’autres domaines de recherche utilisant le même paradigme physique, tels que les plasmas de Tokamaks (e .g. ITER), les expériences avec des métaux liquides magnétisées, et l’ensemble des plasmas naturels où le champ magnétique joue un rôle majeur (atmosphères des étoiles, disques d’accrétions, …).
Les résultats d’HéliSol seront disséminés et valorisés par une politique soutenue de publication dans des journaux à comité de lecture, par leur présentation à des conférences internationales et par des actions de communications envers les média pour les résultats les plus marquants. Cette démarche, couramment entreprise par l’équipe d’HéliSol, permettra de valoriser les résultats scientifiques, non seulement auprès d’une communauté de spécialistes, mais aussi auprès du grand public, afin d’expliquer les enjeux et les forces de la recherche française actuelle.
Finalement, en tant que projet Jeune Chercheur, HéliSol contribuera à solidifier en France une équipe de recherche théorique dynamique portant la physique de l’activité solaire. La formation de futurs chercheurs, financée dans le cadre d’HeliSol, garantira le développement et la pérennisation des méthodes et résultats de ce projet. Ces chercheurs augmenteront à leur tour les capacités françaises dans les futures prévisions de météorologie de l’espace.