Descriptif

PHY569B – Astrophysical plasmas and space missions

The solar system provide an ideal laboratory to investigate fundamental physical processes (e.g., turbulence, magnetic reconnection, shocks) that underlie longstanding problems of heliophysics, such as the solar corona and solar wind heating problems, particle acceleration and radio emissions in planetary magnetospheres (e.g., aurora). The main reason is the availability of high quality in-situ data measured by various spacecraft that have been exploring these media for about a half century. These include the solar wind exploration by Voyager since the 1970s to the more recent ones, the NASA/Parker Solar Probe (launched in 2018) and the ESA/Solar Orbiter (launched in 2020), the near-Earth space exploration (ionosphere and magnetosphere) by multi-satellites missions such as the ESA/Cluster (2000) and NASA/MMS (2015), planetary exploration: NASA/Jupiter by Galileo, Juno (2016) and “soon” ESA/JUICE (launched in 2022, orbit insertion in 2030), NASA-ESA/Saturn (Cassini 1997-2017), Mercury by NASA/Messenger (2004) and ESA-JAXA/BepiColombo (launched in 2018, orbit insertion in December 2025). The achievements accomplished in the solar system allow us to extrapolate the results to other challenging problems of distant astrophysical objects, which are not (or much less) accessible to measurements. Examples are star formation in the interstellar medium (ISM), cosmic rays acceleration and magnetic field generation in galaxies and inter-cluster galaxy (ICG), angular momentum transport and accretion flows around compact objects (e.g., black holes).

In this lecture we will first introduce some major questions of astrophysical plasmas and explain how they can be tackled using the solar system as a laboratory to test modern existing theories. In the second part, we will recall some basic equations of plasma physics (kinetic and fluid-like descriptions, i.e. MHD and its extensions to small scales, e.g. Hall-MHD), before discussing examples of universal plasma processes such as turbulence and magnetic reconnection. We will expose the underlying theories of such processes and explain how they can help solving some of the questions addressed in the introduction of the course, with a particular focus on how the theoretical predictions can be tested in spacecraft observations.

The second part of the lecture we will deal with the description and design of space missions dedicated to space plasmas. We will describe the main in-situ instruments embedded on orbiting spacecraft (e.g., AC & DC magnetometers, Langmuir probes, plasma spectrometers –electrons and ions). We will explain their functioning principle, their constraints and limitations inherent to space exploration (cost, mass, power, telemetry). We will also introduce some signal processing techniques and methods used to analyze (single and multi-)spacecraft data and discuss their strengths and weaknesses.

In the last part we will present some current trends in space exploration dedicated to plasma physics (both in the solar wind and planetary magnetospheres). We will introduce new scientific questions that emerged in light of recent progress achieved from the current orbiting spacecraft, discuss the new concepts of space missions under preparation and highlight the new technical challenges faced.

Course language: English

ECTS credits: 5

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PHY569B – Plasmas astrophysiques et missions spatiales

Le système solaire constitue un laboratoire idéal pour étudier des processus de physique fondamentale (ex. la turbulence, la reconnexion magnétique, et les chocs), qui sous-tendent des problématiques majeures en physique spatiale, tels que le chauffage la couronne et vent solaires, l'accélération des particules et les émissions radio dans les magnétosphères planétaires (ex. aurores). La raison principale est la disponibilité de données in situ complètes mesurées par diverses missions spatiales qui explorent ces milieux astrophysiques depuis environ un demi-siècle. C’est le cas de l'exploration du vent solaire par Voyager depuis les années 1970 jusqu'aux missions plus récentes, NASA/Parker Solar Probe (lancée en 2018) et l'ESA/Solar Orbiter (lancée en 2020) ; l'exploration de la magnétopshère terrestre par les missions multi-satellites telles que l'ESA / Cluster (2000) et la NASA / MMS (2015) ; l'exploration planétaire: Jupiter par NASA/Galileo, Juno (2016) et ‘‘bientôt’’ ESA/JUICE (qui sera lancée en 2022, pour une insertion en orbite en 2030), Saturne par NASA-ESA/Cassini (1997-2017), Mercure par NASA/Messenger (2011) et ESA-JAXA/BepiColombo (lancée en 2018, insertion en orbite fin 2025). Les progrès réalisés dans le système solaire nous permettent de mieux appréhender des problématiques similaires rencontrées dans d’autres milieux astrophysiques plus lointains, peu ou pas accessibles aux mesures directes. C’est le cas de la formation d'étoiles dans le milieu interstellaire (ISM), l'accélération des rayons cosmiques et la génération de champs magnétiques dans les galaxies et les galaxies inter-amas (ICG), le transport du moment angulaire et l'accrétion de matière autour d'objets compacts (ex. les trous noirs).

Dans ce cours, nous présenterons d'abord quelques grandes questions ouvertes en plasmas astrophysiques et expliquerons comment elles peuvent être abordées en utilisant le système solaire comme laboratoire pour tester les théories existantes. Dans la deuxième partie, nous rappellerons quelques équations de base de la physique des plasmas (descriptions cinétiques et fluides, ex. MHD et ses extensions à petites échelles, la MHD-Hall), avant d’étudier en détail quelques processus universels tels que la turbulence plasma et la reconnexion magnétique. Nous exposerons les théories sous-jacentes de ces processus et expliquerons comment ils peuvent aider à résoudre quelques unes des questions abordées dans la partie introductive du cours, en mettant l’accent sur comment tester les prédictions théoriques directement dans les observations in-situ fournies par les missions spatiales.

Dans la deuxième partie du cours nous décrirons les principaux instruments in-situ embarqués à bords de missions spatiales (ex., magnétomètres, sondes de Langmuir, spectromètres à plasma - électrons et ions). Nous expliquerons leur principe de fonctionnement, les contraintes et limitations inhérentes à l'exploration spatiale (coût, masse, puissance, télémétrie). Nous présenterons également certaines méthodes et techniques de traitement du signal utilisées pour analyser les données des missions spatiales (mono ou multi-satellites). Dans la dernière partie, nous présenterons les grandes tendances actuelles de l'exploration spatiale dédiée à la physique des plasmas (aussi bien dans le vent solaire que dans les magnétosphères planétaires). Nous présenterons les nouvelles questions scientifiques qui ont émergé à la lumière des progrès récents réalisés grâce aux missions en cours d’exploitation, et discuterons des nouveaux concepts de missions spatiales en cours de préparation et les nouveaux défis techniques qu’elles posent.

Langue du cours : Anglais

Credits ECTS : 5