Soutenance de thèse de Manuela Sisti

Thesis Defence
Manuela SISTI

DÉTECTION ET ÉTUDE DE LA RECONNEXION MAGNÉTIQUE DANS LES SIMULATIONS DE PLASMA SPATIAL

Sous la direction de : Olivier Agullo, Matteo Faganello and Francesco Califano

Composition du jury :

Clare Parnell, St Andrews University, UK, Rapporteure
Luca Sorriso Valvo, CNR, IT, Rapporteur
Vincent Génot, IRAP, FR, Examinateur
Gaetano Zimbardo, Università della Calabria, IT, Examinateur
Laurence Rezeau, Sorbonne Université, FR, Presidente du jury
Olivier Agullo, AMU, FR, Directeur
Matteo Faganello, AMU, FR, Co-Directeur
Francesco Califano, Università di Pisa, Directeur

Résumé : La reconnexion magnétique est un processus fondamental en physique des plasmas, étant le seul capable de réarranger les connexions à grande échelle des lignes de champ magnétique, permettant d’importantes modifications topologiques du champ, bien qu’elle se produise dans des régions très petites par rapport à la taille du système. Cette modification de la topologie globale permet au système d’atteindre des états d’énergie inférieurs autrement interdits et convertit une grande quantité d’énergie magnétique en énergie cinétique, énergie thermique et accélération de particules. La reconnexion magnétique se produit dans une grande variété d’environnements spatiaux tels que la couronne solaire, la magnétosphère de la Terre, le vent solaire turbulent.

En raison de son importance et de son caractère unique, la reconnexion magnétique a été largement étudiée au cours des dernières décennies à l’aide de modèles théoriques, de simulations numériques et de données satellitaires. Pourtant, certaines questions importantes restent à élucider. En particulier, en ce qui concerne les simulations, la détection de la reconnexion magnétique est une tâche difficile et la recherche des signatures de reconnexion demande une investigation visuelle et non automatique. Ceci est particulièrement vrai lorsque les simulations ne sont pas initialisées avec des configurations “ad-hoc”, appropriées pour la reconnexion, mais lorsque les feuilles de courant où la reconnexion peut se développer sont générées aléatoirement par la dynamique turbulente, même dans une géométrie 2D simplifiée. La situation du cas 3D est encore plus complexe puisque la dynamique de reconnexion 3D est encore un sujet de débat même d’un point de vue théorique.

L’objectif de cette thèse est d’étudier la reconnexion magnétique dans le contexte du plasma spatial sans collision, en particulier dans les nappes de courant qui sont générées de manière autonome par le mouvement du plasma, soit par des tourbillons magnétohydrodynamiques à grande échelle (émergeant après le développement de l’instabilité de Kelvin-Helmoltz sur les flancs de la magnétosphère terrestre), soit par des tourbillons à petite échelle dans la turbulence cinétique (comme ceux qui se développent dans le vent solaire).

Le travail principal de cette thèse porte sur la possibilité d’utiliser des techniques automatiques pour identifier les événements de reconnexion magnétique dans les simulations hybrides cinétiques 2D de la turbulence du plasma. Ces techniques sont basées sur des méthodes d’apprentissage automatique supervisées (CNN) et non supervisées (KMeans et DBscan). Pour ce qui concerne le cas 3D, l’état de l’art de nos travaux est présenté. En particulier, nous analysons statistiquement les événements de reconnexion magnétique dans une simulation 3D à deux fluides de la reconnexion magnétique médiée par Kelvin-Helmholtz sur les flancs de la magnétosphère terrestre. Enfin, en ce qui concerne les simulations Hybrid Kinetic 3D de la turbulence, nous présentons une analyse statistique des structures actuelles où la reconnexion peut potentiellement se produire, tandis que le développement d’une technique d’apprentissage automatique pour identifier automatiquement la reconnexion dans les simulations 3D est toujours en cours.

Mots-clefs: plasma physics, magnetic reconnection, machine learning