PDF
Cartographie des baryons dans les amas de galaxies au moyen de l'intelligence articifielle.
Cosmological mapping of X-ray baryons in galaxy clusters using artificial intelligence.

Spécialité

Astrophysique

Niveau d'étude

Bac+5

Formation

Master 2

Unité d'accueil

Candidature avant le

19/04/2024

Durée

6 mois

Poursuite possible en thèse

oui

Contact

PIERRE Marguerite
+33 1 69 08 34 92

Résumé/Summary
Le stage vise à étudier les propriétés du gaz intra-amas en fonction de la distribution sous-jacente de matière noire.
On utilisera un réseau de neurones entrainé sur des simulations numériques afin, en particulier, de comprendre si les propriétés locales du gaz dépendent de la cosmologie et du redshift.
The internship aims at the study of the intracluster gas, as a function of the unerdlying dark matter distribution.
We shall use a neural network trained on numerical simulations to investigate whether le local gas properties depend on the cosmology and redhsift.
Sujet détaillé/Full description
Les amas de galaxies sont les entités les plus massives de l’univers.
Pour cette raison, ils constituent une sonde cosmologique importante à côté du CMB, des supernovae et BAO. L’émission en rayons X des amas nous renseigne sur la physique baryonique du gaz intra-amas qui joue un rôle clef dans la modélisation de la formation des grandes structures de l’univers.
Le but du stage est de cartographier et d’étudier la dépendance des propriétés du gaz intra-amas en fonction de la distribution de la matière noire sous-jacente. Au lieu d’utiliser le formalisme habituel des lois d’échelle pour relier les propriétés X à la masse des amas, nous avons développé un formalisme (ASpiX) qui encode la population des amas en fonction de leurs couleurs X. Ainsi, nous pouvons inférer les paramètres cosmologiques selon le principe du ‘forward modelling’, en réduisant au moins d’un facteur 6 le nombre des paramètres libres liés à la physique des amas, et en ayant accès directement à l’énergie insufflée par les AGN dans le milieu intra-amas.
Note but est d’entrainer un réseau d’apprentissage profond (par ex. un réseau conditionnel de diffusion) pour apprendre la relation entre les halos de matière noire et les baryons, en utilisant des simulation hydrodynamiques (par ex. CAMELS). Alors que la structure des halos dépend de la cosmologie et du redshift, nous voulons tester l’hypothèse que la densité et la température du gaz à une position donnée ne dépendent que des propriétés de la matière noire environnante. Ceci est un point névralgique qui sera testé avec soin, car cela permettrait de simplifier considérablement l’analyse cosmologique ultérieure.
Dans un second temps, la cartographie des baryons ainsi formulée nous permettra de traduire en bande X, des ‘cônes de lumière’ constitués par les halos de matière noire pour différentes cosmologies et valeurs du feedback des AGN. Ceci constitue une étape majeure vers l’inférence des paramètres cosmologiques d’après la population des amas de galaxies observée en rayons X.
Clusters of galaxies are the largest entities in the universe. For this reason, they constitute an important cosmological probe complementary to the CMB, supernovae and BAO. The X-ray emission of clusters provides insights into baryonic physics which plays pivotal role in our modelling of mass assembly over cosmic time. The goal of the internship is to map and study the dependence of the cluster baryon properties on the density of the underlying dark matter. Instead of using traditional scaling relations to connect the X-ray properties to the cluster masses, we have developed a formalism (ASpiX) to encode the cluster population using X-ray colors. From this, a forward-modelling formalism allows us to infer the cosmological parameters, reducing the number of cluster-dependent free parameters by a factor of 6 or more and giving directly access to the energy input from AGN.
Our aim is to train a deep learning model (e.g., a conditional diffusion network) to learn the relationship between dark matter halos and baryons using cosmological hydrodynamical simulations (CAMELS). While the structure of the DM halos depends on cosmology and redshift, we hypothesize that the cluster gas density and temperature, at a given position, only depends on the surrounding DM properties; this is a key point to be thoroughly explored, since it would drastically streamline the cosmological analysis.
The learned baryon mapping will be used, in turn, to produce ‘X-ray lightcones’ as a function of cosmology and AGN feedback: marking an instrumental step towards the cosmological inference of an observed X-ray cluster population.
Mots clés/Keywords
cosmologie - simulations numeriques - X-ray astronomy
cosmology - numerical simulations - X-ray astronomy
Compétences/Skills
Réseaux de neurones / réseaux conditionnel de diffusion Logiciel d’émission X
Neural network / conditional diffusion network X-ray emission code
Logiciels
Python
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Démonstration des performances d’un nouveau spectro-imageur X dur hautement pixelisé pour la physique des éruptions solaires.
Performance demonstration of a new hard X-ray highly pixelated spectroscopic imager for the observation of solar flares

Spécialité

Instrumentation

Niveau d'étude

Bac+5

Formation

Ingenieur/Master

Unité d'accueil

Candidature avant le

20/04/2024

Durée

5 mois

Poursuite possible en thèse

non

Contact

MEURIS Aline
+33 1 69 08 12 73

Résumé/Summary
A travers des mesures expérimentales en laboratoire, des analyses de données et des simulations, l'étudiant caractérisera les performances en spectroscopie et en imagerie d'un nouveau capteur à rayons X fabriqués avec un industriel et le CNES destinés aux télescopes spatiaux de future génération pour la physique solaire.
Through experimental work in the lab, data analysis and simulations, the student will characterize the spectral and the imaging performance of a new sensor for X-rays designed and produced with an industrial partner and CNES, devoted to the next generation of space telescopes for solar physics
Sujet détaillé/Full description
CONTEXTE
Solar Orbiter est une mission spatiale de l’agence spatiale européenne en opération depuis 2020. Parmi ses 10 instruments, le Spectrometer Telescope Imaging X-Rays (STIX), basé sur une technique d’imagerie indirecte par transformée de Fourier, observe les éruptions solaires dans la bande d’énergie [4-150 keV] pour caractériser les processus d’accélération des électrons et de conversion de l’énergie magnétique dans la zone radiative du Soleil. La future génération de télescopes (comme la mission SPARK proposée à l’ESA en 2022) implique une imagerie directe des évènements par l’utilisation de miroirs X de quelques secondes d’arc de résolution angulaire. Cette imagerie directe permettrait d’augmenter la cadence des images (sensibilité de détection et dynamique de comptage améliorées d’un facteur 20 à 100) et d’éviter la confusion de sources en cas de points chauds multiples. Elle nécessite le développement de spectro-imageurs sensibles aux photons X jusqu’à 150 keV et avec des pixels plus petits que 300 µm. Notre équipe de recherche a récemment développé un détecteur à base de semi-conducteur en CdTe de 32 x 32 pixels, avec des pixels de 250 µm de côté, lus par deux circuits d’électronique intégrée conçus spécifiquement par notre institut et constituant le spectro-imageur appelé MC2. Dans le cadre d’une thèse, de premières performances spectrales à l’état de l’art ont été obtenues avec un échantillon et un modèle physique numérique de la réponse du capteur a été développé.

SUJET
Pour démontrer la performance de notre concept dans une future mission spatiale comme SPARK, le stage comporte deux volets :
- Volet expérimental : L’objectif du stage est la mise en œuvre et la caractérisation des détecteurs de génération suivante de 32 x 32 pixels dans un banc de mesure existant. Cette nouvelle génération emploie des technologies d’intégration très innovantes, en préparation de la conception d’une caméra X entièrement numérique. Des images sont obtenues en éclairant le détecteur avec une source de photons X et sont analysées pour obtenir des spectres en énergie et des cartes de comptage de photons. L’étudiant aura pour objectif d’effectuer des mesures sur le banc de test et d’analyser les résultats obtenus au moyen de scripts Python développés ou à développer.
- Volet de modélisation : Un modèle numérique complet de chaîne de détection, développé dans notre laboratoire et combinant la physique du détecteur à la réponse de l’électronique de lecture sera utilisé pour simuler la réponse du détecteur en fonction des topologies et de la brillance des éruptions solaires observées. L’étudiant étudiera plusieurs scénarios d’observation à travers les différents modes de lecture du système. Les résultats permettront de définir une stratégie de lecture pour la prochaine génération de circuits intégrés de lecture en cours de conception.

L’étudiant sera intégré à une équipe de R&D dynamique de 6 personnes, regroupant technicien, doctorant, ingénieurs électroniciens, physiciens instrumentalistes du Département d’astrophysique (DAp) et Département d’électronique de détecteurs et d’informatique pour la physique (DEDIP) de l’Irfu.

L’ensemble de ces résultats pourra faire l’objet d’une publication scientifique.
Mots clés/Keywords
chaîne de détection, instrumentation spatiale, physique solaire
detection chain, space instrumentation, solar physics
Compétences/Skills
Spectroscopie X, analyse de données spectrales, modélisations physiques
X-ray spectroscopy, spectral data analysis, physical modeling
Logiciels
Python
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Étude de la photochimie des exoplanètes semblables à Mars
Investigating the photochemistry of Mars-like exoplanets

Spécialité

Astrophysique

Niveau d'étude

Bac+5

Formation

Master 2

Unité d'accueil

Candidature avant le

01/06/2024

Durée

5 mois

Poursuite possible en thèse

oui

Contact

GARCIA MUÑOZ Antonio
+33 1 69

Résumé/Summary
Le projet étudiera la photochimie des atmosphères de CO2 dans des conditions correspondant à celles attendues sur certaines exoplanètes. Les résultats seront replacés dans le contexte des observations actuelles et futures des atmosphères d'exoplanètes.
The project will investigate the photochemistry of CO2-atmospheres under conditions relevant to those expected at some exoplanets. The findings will be put in the context of existent and future observations of exoplanet atmospheres.
Sujet détaillé/Full description
Parmi les plus de 5 000 exoplanètes actuellement connues, celles dont la taille est comprise entre 1 et 4 rayons terrestres sont les plus abondantes. De telles planètes sont absentes de notre système solaire et leurs propriétés fondamentales (origine, évolution, structure interne, etc.) restent incertaines. Certaines de ces planètes pourraient avoir des atmosphères dominées par H2/He, mais d'autres pourraient avoir des atmosphères riches en molécules lourdes comme par exemple H2O et CO2. Le projet actuel propose d'étudier la photochimie des atmosphères dominées par le CO2 soumises à l'irradiation d'étoiles de types M, K et G (étoiles hôtes préférentielles pour un certain nombre de programmes d'observation en cours). L'étude utilisera un modèle photochimique existant développé pour les conditions martiennes et qui traite l'ensemble de la transition de l'atmosphère neutre à l'ionosphère. L'étudiant adaptera le modèle photochimique à des conditions plus générales (en particulier le partage CO2-H2O-H2), et évaluera la façon dont les différents spectres stellaires affectent la composition chimique des atmosphères. Les conclusions de cette étude théorique seront liées aux découvertes faites par le JWST et aux observations futures avec des télescopes tels que l'E-ELT.
Of the more than 5,000 exoplanets that are currently known those that have sizes between 1 and 4 Earth radii are the most abundant. Such planets are absent in our Solar system and their fundamental properties (origin, evolution, internal structure, etc.) remain uncertain. Some of these planets might have H2/He-dominated atmospheres, but others might have atmospheres that are rich in heavy molecules such as for example H2O and CO2. The current project proposes to investigate the photochemistry of CO2-dominated atmospheres subject to the irradiation from stars of M, K and G types (preferential host stars for a number of ongoing observing programs). The investigation will utilize an existent photochemical model developed for Martian conditions and that handles the entire transition from the neutral atmosphere to the ionosphere. The student will adapt the photochemical model to more general conditions (in particular the CO2-H2O-H2 partitioning), and will assess the ways in which different stellar spectra affect the chemical composition of the atmospheres. The conclusions from this theoretical investigation will be related to the discoveries that the JWST is making and to future observations with telescopes such as the E-ELT.
Mots clés/Keywords
photochimie, atmosphère, exoplanètes, modélisation numérique
photochemistry, atmosphere, exoplanets, numerical modelling
Compétences/Skills
modélisation numérique, cinétique chimique
numerical modelling, chemical kinetics
Logiciels
fortran, IDL, python
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Mesure de la rotation dans les rotateurs modérément actifs
Measuring rotation in moderately-active rotators

Spécialité

Astrophysique

Niveau d'étude

Bac+5

Formation

Master 2

Unité d'accueil

Candidature avant le

01/09/2024

Durée

4 mois

Poursuite possible en thèse

oui

Contact

GARCIA, Rafael A.
0169082725

Résumé/Summary
La mission de l'ESA PLATO (lancement fin 2026), a pour objectif de découvrir et de caractériser des systèmes planétaires semblables à la Terre. L'objectif de cette stage est de mesurer la rotation de surface des étoiles modérément actives semblables au Soleil.
ESA's PLATO mission (launch at the end of 2026) aims to discover and characterize Earth-like planetary systems. The objective of this internship is to measure the surface rotation of moderately active stars similar to the Sun.
Sujet détaillé/Full description
La mission Planetary Transits and Oscillations of stars (PLATO, Rauer et al. 2014) sera lancée fin 2026 par l'Agence spatiale européenne (ESA), avec pour objectif de découvrir et de caractériser des systèmes planétaires semblables à la Terre. Dans cette optique, être capable de mesurer la rotation de surface des analogues solaires modérément actifs est à la fois un défi et un élément clé dans l'étude de ces systèmes. La conception des algorithmes pour mesurer la rotation et l'activité de la surface stellaire dans PLATO est sous la responsabilité de l'observatoire de Catane (Italie, INAF-OACT, Dr. Isabella Pagano, co-PI de la mission PLATO) tandis que le CEA Saclay est responsable de leur implémentation dans le système d'analyse stellaire PLATO (SAS), qui est l'ensemble des outils terrestres développés pour fournir les résultats stellaires à la communauté scientifique.

Ce stage se veut une introduction à la physique des étoiles de type solaire et à la mise en œuvre et l'exploitation de techniques d'analyse de données de pointe dans ce domaine. Il a pour but d'explorer et d'évaluer l'efficacité de nouvelles techniques pour mesurer la rotation des étoiles modérément actives, en plus des algorithmes déjà inclus dans le SAS. L'étudiant mettra en œuvre la méthode GPS (gradient power spectrum) et évaluera les performances et la robustesse d'une telle technique en l'appliquant à la fois aux observations réelles de Kepler et aux courbes de lumière simulées par PLATO, en comparant les résultats obtenus avec les catalogues de référence de la littérature.

Le stage se déroulera au Département d'Astrophysique (DAp) du CEA Saclay (Orme des Merisiers, Gif-sur-Yvette, Essonne), au sein du Laboratoire de Dynamique des Etoiles, des (Exo)planètes et de leurs Environnements (LDE3). L'étudiant travaillera sous la supervision du Dr. Rafael A. García (LDE3, CEA Saclay) et du Dr. Sylvain N. Breton (INAF-OACT). Une visite de travail de quelques semaines à Catane pendant la durée du stage est possible. L'étudiant bénéficiera également du réseau de collaboration du groupe, avec la possibilité de travailler en collaboration avec l'Instituto de Astrofísica de Canarias (Espagne, contact : Dr. Savita Mathur) et l'Universidade do Porto (Portugal, contact : Dr. ngela R.G. Santos).

Les résultats obtenus seront présentés sous forme de poster lors d'une des conférences d'été de notre communauté.

L'étudiant participera également aux discussions scientifiques du groupe et pourrait éventuellement participer à d'autres projets en cours liés à PLATO. Le stagiaire présentera son travail et contribuera aux discussions scientifiques sur les articles récemment publiés. Ces présentations ont lieu sous forme de téléconférences bihebdomadaires au sein de notre réseau de collaborateurs.
The Planetary Transits and Oscillations of stars (PLATO, Rauer et al. 2014) mission will be launched late 2026 by the European Space Agency (ESA), with the goal to discover and characterise Earth-like planetary systems. In this view, being able to measure the surface rotation of moderately-active solar analogs is both a challenge and a key element in studying these systems. The design of the algorithms to measure stellar surface rotation and activity in PLATO are under the responsibility of the Catania observatory (Italy, INAF-OACT, Dr. Isabella Pagano, co-PI of the PLATO mission) while CEA Saclay is responsible for their implementation in the PLATO Stellar Analysis System (SAS), which is the ensemble of the ground-based tools developed to provide the stellar results to the scientific community.

This internship is meant to be an introduction to the physics of solar-type stars and to the implementation and exploitation of cutting-edge data analysis techniques in this field. It is dedicated to explore and assess the efficiency of novel techniques to measure rotation in moderately-active stars, in addition to the algorithms that are already included in the SAS. The student will implement the gradient power spectrum, GPS, method and will assess the performances and robustness of such a technique by applying it both on Kepler actual observations and PLATO simulated light curves, comparing the obtained results with reference catalogues from the literature.

The internship will take place at the Astrophysics division (DAp) of the CEA Saclay (Orme des Merisiers, Gif-sur-Yvette, Essonne), among the Dynamics of Stars, (Exo)planets and their Environments Laboratory (LDE3). The student will work under the supervision of Dr. Rafael A. García (LDE3, CEA Saclay) and Dr. Sylvain N. Breton (INAF-OACT). A working visit of a few weeks in Catania during the time of the internship is a possibility. The student will also benefit from the collaboration network of the group, with possibilities to work in collaboration with the Instituto de Astrofísica de Canarias (Spain, contact: Dr. Savita Mathur) and the Universidade do Porto (Portugal, contact: Dr. ngela R.G. Santos).

The obtained results will be presented as a poster in one of the summer conferences of our community.

The student will also take part in the scientific discussions of the group and could eventually participate in other ongoing projects related with PLATO. The intern will present his/her work and contribute to the scientific discussions on papers recently published. These presentations take place in the form of biweekly remote telecoms within our network of collaborators.
Mots clés/Keywords
Physique solaire et stellaire, Dynamique des étoiles, Gyrochronologie, Analyses des données
Solar and stellar physics, stellar dynamics, gyrochronology, data analysis
Compétences/Skills
Analyses des données, Méthodes numériques, Domaine de Fourier, Analyses par wavelets et auto-correlation des signaux, Data Mining.
Data analysis, Numerical methods, Fourier domain, Wavelet analysis and signal auto-correlation, Data mining.
Logiciels
Python
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Modélisation des interactions magnétiques étoile-planète pour des orbites inclinées

Spécialité

Astrophysique

Niveau d'étude

Bac+5

Formation

Master 2

Unité d'accueil

Candidature avant le

29/05/2024

Durée

4 mois

Poursuite possible en thèse

oui

Contact

STRUGAREK Antoine
+33 1 69 08 30 18

Résumé/Summary
Les exoplanètes en orbite compacte interagissent avec leur milieu le long de leur orbite et se connectent magnétiquement à leur étoile hôte. Cette connection laisse une trace visible dans l’atmosphère de l’étoile et a notamment été détectée pour 4 exosystèmes par Cauley et al. (2019). Le but du stage est de caractériser, dans le contexte de l’étude des systèmes exoplanétaires (futures missions ESA PLATO, ARIEL, et instruments sol tes que SKA), la façon dont ces exoplanètes se connectent magnétiquement à leur étoile hôte. Le cas d’une planète en orbite circulaire et dont le plan orbital est perpendiculaire à l’axe de rotation de l’étoile a déjà été largement caractérisé via la simulation numérique 3D (Strugarek 2016). Pour ce stage, nous étendrons cette étude ab-initio pionnière au cas des planètes en orbite inclinée par rapport à l’axe de rotation de l’étoile.
Sujet détaillé/Full description
Le but du stage est d’explorer, dans le contexte de l’étude des systèmes exoplanétaires (futures missions PLATO, ARIEL, et instruments sol tes que SKA) la façon dont des exoplanètes en orbite compacte interagissent avec leur milieu le long de leur orbite et se connectent magnétiquement à leur étoile hôte. Cette connection magnétique a notamment été détectée pour 4 systèmes compacts par Cauley et al. (2019). Du point de vue de notre compréhension, le cas d’une planète en orbite circulaire et dont le plan orbital est perpendiculaire à l’axe de rotation de l’étoile a déjà été largement caractérisé par la théorie semi-analytique (Saur et al. 2013) et par la simulation numérique 3D ab-initio (e.g. Strugarek 2016). Pour ce stage, nous étendrons ces études pionnières au cas des planètes en orbite inclinée par rapport à l’axe de rotation de l’étoile.

On s’attend en effet à ce que cette inclinaison module fortement la connectivité magnétique de la planète à l’étoile le long de l’orbite, et ainsi affecte tout signal pouvant provenir de l’existence de cette connectivité magnétique. Par exemple, le relatif alignement de l’orbite d’une planète est une caractéristique majeure pour la possible détection à distance de cette interaction en radio (e.g. Kavanagh & Vedantham 2023). De plus, la detection d’un tel signal pourrait permettre de mieux caractériser les planètes en orbite ‘pole-on’ pour les nombreux systèmes observés par Kepler dont l’axe de rotation de l’étoile est perpendiculaire à notre angle de visée mais dont les planètes ne transient pas.

Afin de mieux comprendre ces systèmes, nous allons utiliser le modèle 3D global d’interaction magnétique étoile-planète (Strugarek et al. 2015) afin de permettre de traiter une planète en orbite inclinée. Pour faire cela, le système étoile-planète sera toujours considéré centré sur l’étoile et dans le repère Keplerien tournant avec la planète (la planète est donc fixe dans la grille), mais nous laissons libre l’axe de rotation de l’étoile par rapport à la grille du modèle, simulant ainsi une orbite inclinée quelconque. Le travail à effectuer lors du stage sera donc décomposé en plusieurs parties:
Développement (~1 mois): changer l’axe de rotation de l’étoile centrale dans le modèle numérique 3D basé sur le code open-source PLUTO
Calcul numérique (~2 mois): étude paramétrique pour une distance orbitale et différents angles d’inclinaison afin de caractériser:
(i) les points de connection magnétique de l’interaction dans l’atmosphère de l’étoile et ainsi le signal temporel attendu pour l’observateur
(ii) la modulation de l’amplitude de la connection magnétique (appelée ‘aile d’Alfvén’)
(iii) l’influence de l’inclinaison sur le couple magnétique ressenti par la planète et la faisant migrer sur des temps séculaires (voir Ahuir et al. 2021).
Rédaction (~ 1 mois): Ecriture du rapport et squelette d’article scientifique pour présenter les résultats

Les conclusions de ce travail contribueront à une compréhension plus exhaustives des interactions magnétiques étoile-planète. Le sujet de ce stage, fortement relié au domaine très actif des exoplanètes, offre ainsi au stagiaire une excellente perspective scientifique pour poursuivre ensuite en thèse. Il est de plus lié au projet ERC ExoMagnets qui débutera le 1er juin 2024. Le/la stagiaire sera entouré par une équipe d’experts en physique stellaire et exoplanétaire (A. Strugarek, A.S. Brun, S. Mathis, R. Garcia, A. Garcia-Muñoz).
PDF
Simulations 3D du vent solaire pour les prévisions en météorologie de l’espace
3D simulations of the solar wind for space weather forecasting

Spécialité

Astrophysique

Niveau d'étude

Bac+5

Formation

Master 2

Unité d'accueil

Candidature avant le

05/06/2024

Durée

5 mois

Poursuite possible en thèse

oui

Contact

Perri Barbara
+33 1 69 08 76 60

Résumé/Summary
Le but de ce stage est d’obtenir un modèle de prévision du vent solaire à la fois réaliste et rapide. Pour cela, il s’agira de développer une version opérationnelle du code Wind Predict-AW, en combinant différents modèles d’accélération du vent solaire. Via une étude paramétrique de simulations numériques, il sera alors possible de quantifier les performances de ce nouveau modèle et de le comparer à des observations à la Terre.
The aim of this internship is to obtain a realistic and fast solar wind forecasting model. This will involve developing an operational version of the Wind Predict-AW code, combining different solar wind acceleration models. Through a parametric study of numerical simulations, it will then be possible to quantify the performance of this new model and compare it with observations on Earth.
Sujet détaillé/Full description
La météorologie de l’espace a pour ambition de comprendre les événements les plus extrêmes du Soleil afin d’anticiper leur impact sur la Terre. Depuis l’événement de Carrington en 1859 qui avait surchargé les réseaux de télégraphes partout dans le monde, notre société est devenue encore plus technologique, et les conséquences de tels événements se font désormais ressentir sur les satellites, les communications, les réseaux électriques et même la santé humaine.
Néanmoins, prédire la trajectoire de ces événements (et donc leur capacité à impacter ou non la Terre) est un défi complexe qui implique d’être capable de caractériser avec précision le milieu interplanétaire entre le Soleil et la Terre. L’un des éléments les plus critiques à cartographier est alors le vent solaire, un éjecta continu de particules de l’atmosphère solaire qui vient moduler le milieu interplanétaire. Depuis les observations du satellite Ulysses (McComas et al. 2005), on sait qu’il existe plusieurs familles de vent solaire, dont du vent lent (400 km/s) et du vent rapide (800 km/s), qui peuvent donc ralentir, accélérer ou dévier les événements transients.

Pour anticiper correctement les flots de vent solaire, on peut donc se tourner vers la simulation numérique. Prenant en entrée des observations du Soleil, différents modèles sont alors capables de donner une solution en réalisant des approximations sur les processus physiques dans l’atmosphère du Soleil qui sont à l’origine de l’accélération du vent. Le problème est que les modèles actuels sont partagés entre des modèles très réalistes mais trop lents pour être opérationnels (comme le modèle Wind Predict-AW, cf. Réville et al. 2022), et des modèles plus rapides mais avec des approximations plus empiriques qui demandent beaucoup d’ajustements manuels (comme le WSA, cf. Arge et Pizzo 2000).

Le but de ce stage est donc de développer une version opérationnelle du code Wind Predict-AW, permettant d’obtenir une distribution bimodale vent lent/vent rapide réaliste, tout en étant capable de fournir une prévision en moins de 24 heures. Pour cela, on se basera sur l’approximation principale du modèle Wind Predict-AW qui est le chauffage par ondes d’Alfvén, et on implémentera cette mécanique dans la version plus simplifiée du modèle appelée Wind Predict (Réville et al. 2017, Perri et al. 2018). Le code utilisé sera le code PLUTO (Mignone et al. 2007), un code open-source multi-physique écrit en C. Les analyses seront réalisées en Python.
Le travail de ce stage sera donc de réaliser différentes combinaisons entre les modules de Wind Predict et Wind Predict-AW afin de parvenir à retrouver la distribution bimodale du vent solaire dans des temps opérationnels. Ceci se fera via la construction d’une fonction de chauffage ad-hoc en combinant chauffage polytropique et par ondes d’Alfvén (plus éventuellement d’autres termes à implémenter si besoin). Il conviendra également de réaliser des études paramétriques afin de vérifier que le nouveau modèle puisse fonctionner pour toutes les phases du cycle solaire (minimum comme maximum). On validera également les résultats sur des événements réels (flots de vent rapides mesurés à la Terre). L’étudiant devra enfin analyser les tendances du modèle pour vérifier que les propriétés physiques de la couronne solaire sont globalement bien reproduites, et pour dériver des lois empiriques permettant de calibrer le modèle.

En conclusion, ce stage offre une approche très complémentaire de l’étude du vent solaire, avec des simulations numériques, des observations et de la théorie de la physique des plasmas. Il sera réalisé au sein de l’équipe du LDE3 à l’AIM, sous l’encadrement du Dr. Barbara Perri, du Dr. Allan Sacha Brun et du Dr. Antoine Strugarek. Ce sujet de stage pourra déboucher sur une thèse financée portant sur le développement d’un nouveau modèle de prévision de vent solaire basé sur de l’assimilation de données pour le prochain maximum d’activité.
Space weather aims to understand the Sun's most extreme events in order to anticipate their impact on Earth. Since the Carrington event in 1859, which overloaded telegraph networks around the world, our society has become even more technological, and the consequences of such events are now felt on satellites, communications, power grids and even human health.
Nevertheless, predicting the trajectory of such events (and therefore their ability to impact the Earth or not) is a complex challenge that involves being able to accurately characterize the interplanetary medium between the Sun and the Earth. One of the most critical elements to map is the solar wind, a continuous ejecta of particles from the solar atmosphere that modulates the interplanetary medium. Since observations by the Ulysses satellite (McComas et al. 2005), we know that there are several families of solar wind, including slow (400 km/s) and fast (800 km/s) winds, which can slow down, speed up or deflect transient events.

To correctly anticipate solar wind flows, we can therefore turn to numerical simulation. Taking observations of the Sun as input, various models are then able to provide a solution by approximating the physical processes in the Sun's atmosphere that are responsible for wind acceleration. The problem is that current models are divided between those that are very realistic but too slow to be operational (such as Wind Predict-AW, cf. Réville et al. 2022), and those that are faster but with more empirical approximations that require a lot of manual adjustments (such as WSA, cf. Arge and Pizzo 2000).

The aim of this internship is therefore to develop an operational version of the Wind Predict-AW code, making it possible to obtain a realistic bimodal slow wind/fast wind distribution, while being able to provide a forecast in less than 24 hours. To achieve this, we will rely on the main approximation of the Wind Predict-AW model, which is Alfvén wave heating, and implement this mechanics in the more simplified version of the model called Wind Predict (Réville et al. 2017, Perri et al. 2018). The code used will be PLUTO (Mignone et al. 2007), an open-source multi-physics code written in C. Analyses will be performed in Python.
The task of this internship will therefore be to carry out various combinations between the Wind Predict and Wind Predict-AW modules in order to recover the bimodal distribution of the solar wind in operational times. This will be achieved by constructing an ad-hoc heating function combining polytropic and Alfvén wave heating (plus other terms to be implemented if required). Parametric studies will also be carried out to check that the new model can work for all phases of the solar cycle (minimum and maximum). The results will also be validated on real events (fast wind flows measured at Earth). Finally, the student will be asked to analyze the model's trends to check that the physical properties of the solar corona are globally well reproduced, and to derive empirical laws to calibrate the model.

In conclusion, this internship offers a highly complementary approach to the study of the solar wind, involving numerical simulations, observations and plasma physics theory. It will be carried out within the LDE3 team at AIM, under the supervision of Dr. Barbara Perri, Dr. Allan Sacha Brun and Dr. Antoine Strugarek. This internship may lead to a funded thesis on the development of a new data assimilation-based solar wind forecasting model for the next maximum activity.
Mots clés/Keywords
Météorologie de l’espace, vent solaire, simulations numériques, magnétohydrodynamique
Space weather, solar wind, simulations, MHD
Compétences/Skills
Physique des plasmas Simulations numériques Analyse et traitement de jeux de données
Plasma physics Simulations Big data Data analysis
Logiciels
C Python

 

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