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Composition du jury
Mme Agarwal Jessica, Professor, Max Planck Institute for Solar System Research, Göttingen, Allemagne
Mme Bockelée-Morvan, Directrice de Recherche, LESIA, France
M. Combi Michael, Research Professor, Dept. of Climate and Space Sciences and Engineering
University of Michigan, USA,
M. Hartogh Paul, Senior Scientist, Max Planck Institute for Solar System Research, Göttingen, Allemagne
M. Leblanc François, Directeur de Recherche, Laboratoire Atmosphères, Milieux, Observations Spatiales, France
M. Lellouch Emmanuel, Directeur de Recherche, LESIA, France
Mme Rotundi Alessandra, Professor, Parthenope University of Naples, Italie
M. Thomas Nicolas, Profesor, University of Bern, Suisse
Résumé :
Comets are thought to be icy leftovers from planet formation, either planetesimals themselves or direct descendants of the former. These small bodies have undergone very few global changes since their formation in the proto-planetary disc. For that reason, they are widely considered to have retained information about the early Solar System and can inform our understanding of planet formation.
In the absence of a direct exploration of the nucleus, the observations of cometary atmosphere allow us to deduce parameters of the nucleus – its composition, structure etc. and, in this way, to get information about the Solar System formation. The computational models of the nucleus and circumnuclear environment are indispensable tools of that analysis.
In this habilitation thesis, I summarize 20 years of my experience in mathematical simulations of cometary atmospheres. My research domain lies in intersection of astrophysics and computational fluid dynamics. The main goal of my research is to develop a numerical model of dusty gas environment of a comet. Such kind of a model is used for analysis of the data obtained in the accomplished missions (e.g. Rosetta) and for preparation of the future missions (e.g. Comet Interceptor) – to which I also participate.
At the same time, it is convenient to address the analysis of complex physical phenomena in a step by step manner. Therefore, in addition, I consider a series of simple “pedagogic” cases which results are more spectacular and easier to understand.
Further development of the model will proceed towards increasing the number of processes included into consideration and increasing the physical realism of the model and its components. Though some of the processes might be not important for the general dynamics of the coma they should be included in to consideration due to their importance for interpretation of the observational data. This will allow to extend volume of observational data for interpretation and obtain more detailed information on the processes in the coma and interior of the nucleus.
Composition du jury
Francois Boulanger, ENS-DI, Président
Pr. Lyman A. Page Jr. , Princeton University, Rapporteur
Simon Prunet, LAGRANGE OCA , Rapporteur
Marc Sauvage, IRFU , Rapporteur
Fabrice Ardhuin , LOPS, Examinateur
Valérie De Lapparent, IAP, Examinateur
Jean-Loup Puget, ENS-DI , Examinateur
Guillaume Patanchon, APC, Invité
Résumé :
Cette présentation explore l’évolution de mes recherches, débutant par la radioastronomie solaire, avant de s’orienter vers la biométrie et la science des données, puis la cosmologie observationnelle à travers la mission Planck, et enfin, l’océanographie. Au fil de ce parcours, mon intérêt constant pour la réduction de la dimensionalité et son application dans le traitement des données est resté prédominant. Je montrerai comment ces expériences m’ont guidé vers l’étude des processus physiques en utilisant des modèles génératifs basés sur des données et des techniques statistiques appuyées par des méthodes de réduction dimensionnelle.
Cette présentation mettra également en lumière l’importance d’ajuster la gestion des chaînes de traitement de données afin de répondre aux objectifs scientifiques. Elle défendra une approche holistique s’appuyant sur des modèles génératifs pour intégrer la totalité des processus complexes (instruments, algorithmes, signal d’intérêt) tout en réduisant le nombre de paramètres, grâce à des techniques de réduction de la dimensionnalité. À travers des exemples, je montrerai comment l’utilisation de telles techniques au sein de méthodes génératives permet d’analyser des dynamiques physiques complexes dans les domaines de l’astronomie et aussi de l’océanographie. Cela ouvre des perspectives de recherche inédites, exploitant le calcul à l’échelle hexascale dans des démarches dites « data-driven ». Ces approches offrent des possibilités sans précédent pour l’exploration des processus physiques dans un monde de plus en plus axé sur les données.
Summary :
In this presentation, the progression of my research will be examined, beginning with solar radio astronomy and transitioning to biometrics and data science. Subsequently, the focus shifts to observational cosmology via the Planck mission, and ultimately, oceanography. Throughout this journey, the primary focus remains on dimensionality reduction and its utilization in the handling of residual data. The presentation will demonstrate how these experiences have directed my interest towards investigating physical processes using data-driven generative models and statistical techniques, aided by dimensionality reduction methods.
In this presentation, the significance of adjusting the management of data processing chains to achieve scientific objectives will be emphasized. A comprehensive approach, which utilizes generative models, will be advocated for integrating all the intricate processes (instruments, algorithms, signal of interest). This approach particularly focuses on reducing the number of parameters through dimensionality reduction techniques. By providing examples, I will illustrate how the utilization of such techniques within generative methods enables the analysis of complex physical dynamics in the fields of astronomy and oceanography. This introduces novel research prospects that leverage computation on a hexascale level in data-driven approaches. These approaches offer unprecedented opportunities for exploring physical processes in an increasingly data-centric world.
Composition du jury
Olivier Absil, Maître de recherches du Fonds de la Recherche Scientifique, Imaging Laboratory (PSILab), Belgique
Caroline Kulcsar, Professeure, Institut d’Optique Graduate School, Paris-Saclay
Maud Langlois, Directrice de recherche, CNRS, Centre de Recherche Astrophysique de Lyon
Christian Marois, Research Officer, Dominion Astrophysical Observatory, Canada
Laurent Pueyo, Astronome, Space Telescope Science Institute, Baltimore, USA
Marc Ferrari, Astronome, Laboratoire d’Astrophysique de Marseille
Yann Clénet, Directeur de Recherches, CNRS, LESIA, Observatoire de Paris
Résumé :
La plupart des grands télescopes actuels sont équipés d’instruments coronographiques. Des coronographes sont aussi en développement pour les ELTs et le télescope spatial Roman, qui analyseront des Jupiters autour d’étoiles proches. Enfin, ils sont au cœur du futur Habitable World Observatory, récemment sélectionné par le Decadal Survey 2020 de la communauté américaine, qui chercheront à détecter des marqueurs d’habitabilité sur des exoplanètes. Pour développer ces instruments, il faut encore relever d’importants défis, qui forment la base de mon travail instrumental. Les coronographes actuels sont des systèmes fixes, optimisés en simulation pour obtenir les meilleures performances pour un système donné. Ils ne prennent donc pas en compte la réalité des instruments : vibrations, imperfections, désalignements et déformations des optiques, évolution de la pupille du télescope. Ma recherche instrumentale se focalise sur la correction active pour le haut-contraste, élément clé de la prochaine génération d’instruments, pour optimiser en temps réel un coronographe donné à la réalité de l’instrument pour lequel il est développé. J’ai appliqué ces techniques en simulation, sur plusieurs bancs optiques et sur des télescopes.
En parallèle de ma recherche instrumentale, je consacre une partie de mon activité à l’analyse d’images coronographiques de disques de débris. L’étude des disques circumstellaires est d’une importance critique pour comprendre les systèmes planétaires. Tout d’abord, l’observation de la poussière circumstellaire, depuis les disques proto-planétaires jusqu’aux disques de débris, analogues de la ceinture de Kuiper, permet d’étudier la formation et l’évolution de ces systèmes. Ensuite, ils présentent des structures complexes (anneaux, spirales, sur-densités locales) dont l’analyse précise a déjà permis la prédiction d’exoplanètes non détectées. Mais au-delà de cette analyse “géométrique”, il est primordial de commencer l’analyse des grains de poussière circumstellaire eux-mêmes : issus de la collision des planétésimaux aussi à l’origine des exoplanètes, les éléments dont ils sont formés sont communs à ceux que nous détecterons à leur surface. Mon apport principal à ce domaine est l’adaptation de méthode de post-processing pour la détection et la caractérisation des exoplanètes aux disques de débris. Ces méthodes sont primordiales pour extraire des informations fiables sur ces objets, au-delà de la simple détection. Ces techniques m’ont permis de corriger les biais spécifiques à ces méthodes et à faire plusieurs analyses multi-instrumentale.
Les aspects instrumentaux et observationnels de mon travail sont complémentaires. À mesure que la complexité des techniques coronographiques augmente, il devient nécessaire pour un observateur de comprendre précisément les limitations de son instrument. À l’inverse, une expérience astrophysique est indispensable pour déterminer les priorités des projets futurs et orienter la recherche instrumentale.
Summary :
Most of today’s large telescopes are equipped with coronagraphic instruments. Coronagraphs are also being developed for ELTs and the Roman Space Telescope, which will analyze Jupiters around nearby stars. Finally, they are at the heart of the future Habitable Worlds Observatory, recently selected by the American community’s Decadal Survey 2020, which will seek to detect habitability markers on exoplanets. To develop these instruments, we still need to overcome some major challenges, which form the basis of my instrumental work. Current coronagraphs are fixed systems, optimized in simulation to obtain the best performance for a given system. They do not therefore take into account the reality of instruments : vibrations, imperfections, misalignments and deformations of optics, evolution of the telescope pupil. My instrumental research focuses on active correction for high-contrast, a key element of the next generation of instruments, to optimize in real time a given coronagraph to the reality of the instrument for which it is being developed. I have applied these techniques in simulation, on several optical benches and telescopes.
Alongside my instrumental research, I devote part of my time to analyzing coronagraphic images of debris disks. The study of circumstellar disks is of critical importance for understanding planetary systems.Firstly, by observing circumstellar dust, from proto-planetary disks to debris disks analogous to the Kuiper Belt, we can study the formation and evolution of these systems.Secondly, they display complex structures (rings, spirals, local over-densities) whose precise analysis has already enabled the prediction of undetected exoplanets.But beyond this "geometrical" analysis, it’s vital to begin analyzing the circumstellar dust grains themselves : the result of the collision of the planetesimals that are also the origin of exoplanets, the elements of which they are formed are common to those we will detect on their surfaces.My main contribution to this field is the adaptation of post-processing methods for the detection and characterization of exoplanets in debris disks.These methods are essential for extracting reliable information about these objects, beyond simple detection.These techniques enabled me to correct the biases specific to these methods and to carry out several multi-instrument analyses.
The instrumental and observational aspects of my work are complementary.As the complexity of coronagraphic techniques increases, it becomes necessary for an observer to understand precisely the limitations of his or her instrument.Conversely, astrophysical experience is essential to determine priorities for future projects and guide instrumental research.
Composition du jury
Mme Angonin Marie-Christine, Professeure Sorbonne Université, SYRTE, 0bservatoire de Paris
Mme Goupil Marie-Jo, Astronome, LESIA, Observatoire de Paris (Rapporteur)
M. Marques Joao Pedro, Maître de Conférence, IAS
M. Pétrélis François, Directeur de Recherche, LPENS
M. Ponty Yannick, Directeur de Recherche, Université de la Côte d’Azur (Rapporteur)
M. Rieutord Michel, Professeur, IRAP
Résumé :
Les champs magnétiques générés par les mouvements des fluides sont omniprésents dans l’univers à toutes les échelles. Outre les écoulements de plasma évidents (par exemple, le gaz contenu dans les étoiles ou les disques d’accrétion), une variété d’autres fluides conducteurs se prêtent à une description magnétohydrodynamique dans laquelle les champs magnétiques et l’écoulement sont intimement liés. L’approximation des fluides nous permet de mieux comprendre les objets célestes malgré la grande variété des conditions physiques dans l’Univers. En réalité, il n’y a pas un domaine de l’astrophysique moderne qui ne soit pas touché d’une manière ou d’une autre par le comportement dynamique des fluides magnétisés.
En astrophysique, les champs magnétiques sont soupçonnés de déclencher des instabilités dans les intérieurs profonds des planètes ou des étoiles. De simples analyses de stabilité ont montré que ces instabilités pouvaient être intéressantes. Cependant, le caractère non-linéaire associé à la phase de saturation correspondant aux effets de ces instabilités ne peut être étudié que par des simulations numériques directes. Notre approche consiste à combiner des développements analytiques et numériques afin de mettre en évidence les effets des instabilités magnétiques sur les intérieurs planétaires et stellaires.
L’effet dynamo, c’est-à-dire l’auto-amplification d’un champ magnétique par l’écoulement d’un fluide conducteur de l’électricité, est considéré comme le principal mécanisme de génération des champs magnétiques des étoiles et des planètes. Des études intensives et systématiques de paramètres à l’aide de simulations numériques directes utilisant les approximations de Boussinesq ou anélastiques ont révélé des propriétés fondamentales de ces dynamos. L’approximation de Boussinesq considère un fluide conducteur incompressible et convient à la modélisation des intérieurs planétaires comme le noyau externe de la Terre. Elle n’est donc pas adaptée pour décrire la convection dans les systèmes à fortement stratifiés en densité comme les étoiles ou les géantes gazeuses. Une approche courante pour surmonter cette difficulté consiste à utiliser l’approximation anélastique, qui permet d’obtenir un profil de densité de référence tout en filtrant les ondes sonores pour une intégration numérique plus rapide. Grâce à nos études systématiques de paramètres avec des modèles de dynamo sphérique, nous pouvons explorer différents régimes dynamiques en faisant varier l’importance relative des effets dissipatifs, la rotation globale et la vigueur des mouvements convectifs. Cette méthode nous permet d’obtenir des résultats fondamentaux sur l’intensité du champ et la topologie du champ magnétique des étoiles de faible masse et des planètes. Bien que des études similaires avaient déjà été faites pour déterminer les différents régimes dynamiques explorés par les simulations numériques directes de géodynamo, ce n’est que récemment que le régime correspondant au noyau externe de la Terre caractérisé par un équilibre des forces entre les forces de Coriolis et de Lorentz est accessible numériquement. A proximité du seuil dynamo, la force de Lorentz joue un rôle relativement mineur et un paramètre purement hydrodynamique (le nombre de Rossby local $Ro_\ell$) détermine le domaine de stabilité des dynamos dominées par le dipôle axial (dynamos dipolaires). Ce résultat n’est plus valable lorsque la force de Lorentz devient dominante. Les champs dipolaires forts affectent considérablement la distribution de l’énergie cinétique des mouvements convectifs, ce qui permet de maintenir cette configuration de champ. L’importance relative de chaque force dépend de l’échelle de longueur spatiale. Le paramètre $Ro_\ell$ est un paramètre de sortie global qui ne tient pas compte de la dépendance spatiale. L’inertie n’induit pas d’effondrement du dipôle tant que les forces de Lorentz et de Coriolis restent dominantes à grande échelle.. Les dynamos convectives peuvent être dominées par leur composante dipolaire dans les systèmes en rotation rapide comme les planètes et les étoiles.
Les mouvements turbulents donnant lieu à un effet dynamo peuvent également se développer dans des couches stablement stratifiées comme les zones radiatives stellaires. Des instabilités de cisaillement peuvent donner lieu à un champ de vitesse complexe (3D) utile à la dynamo. Comme c’est le cas dans les disques d’accrétion pour l’instabilité magnéto-rotationnelle (MRI), les champs magnétiques initiaux peuvent rendre l’écoulement turbulent (même si les instabilités de cisaillement sont inopérantes pour ces paramètres) de telle sorte que le champ initial est renforcé en favorisant l’effet dynamo. Dans ce cas, la bifurcation est sous-critique. Compte tenu de la nature sous-critique de la dynamo dans les zones radiatives, les champs magnétiques générés par la dynamo de Tayler-Spruit peuvent transporter le moment angulaire à différentes phases d’évolution et réduire considérablement le taux de cisaillement. Cette découverte pourrait expliquer la faible amplitude des taux de cisaillement observés dans les zones radiatives stellaires.
Summary :
Magnetic fields generated by fluid motions are ubiquitous in the Universe on all scales. As well as obvious Plasma flows (e.g. the gas that is in stars or accretion disks) a variety of other conducting fluids are amenable to Magnetohydrodynamic description in which magnetic fields and the flows are intimately coupled. The fluid approximation enables us to better understand celestial objects despite the large variety of physical conditions in the Universe. In truth, there is not an area of modern astrophysics that is not touched in some way by the dynamical behaviour of magnetized fluids.
In Astrophysics, magnetic fields are suspected to trigger instabilities in the deep interiors of planets or stars. Simple stability analyzes have shown that such instabilities could be of interest. However, the nonlinear character associated with the saturation phase corresponding to the effects of these instabilities can be only studied by considering direct numerical simulations. Our approach is in combining analytical and numerical developments in order to highlight the effects of magnetic instabilities on planetary and stellar interiors.
Dynamo action, i.e. the self-amplification of a magnetic field by the flow of an electrically conducting fluid, is considered to be the main mechanism for the generation of the magnetic fields of stars and planets. Intensive and systematic parameter studies by direct numerical simulations using the Boussinesq or anelastic approximations revealed fundamental properties of these models. The Boussinesq approximation considers an incompressible conducting fluid and is suited for modeling planetary interiors as the Earth’s outer core. It is therefore not adequate to describe convection in highly density-stratified systems like stars or gas giants. A common approach to overcome this difficulty is then to use the anelastic approximation, that allows for a reference density profile while filtering out sound waves for a faster numerical integration. Through systematic parameter studies of spherical dynamo models, we can explore different dynamical regimes by varying the relative importance of dissipation effects, the global rotation, the vigor of convective motions. This method enables us to obtain fundamental results on the field strength and the magnetic field topology of low mass stars and planets. Although many systematic studies of parameters have already been made to determine the different dynamical regimes explored by direct numerical geodynamo simulations, it is only recently that the regime corresponding to the outer core of the Earth characterized by a balance of forces between the Coriolis and Lorentz forces is accessible. numerically. Close to the dynamo threshold, the Lorentz force plays a relatively minor role and a purely hydrodynamic parameter (the local Rossby number $Ro_\ell$) determines the stability domain of dynamos dominated by the axial dipole (dipolar dynamos). This result cannot hold when the Lorentz force becomes dominant far above the dynamo threshold. Strong dipolar fields considerably affect the kinetic energy distribution of convective motions which enables to maitain this field configuration. The relative importance of each force depends on the spatial length scale. $Ro_\ell$ is a global output parameter which ignores the spatial dependency. Inertia does not induce a dipole collapse as long as the Lorentz and the Coriolis forces remain dominant at large length scales. Convective dynamos can be dominated by their dipolar compoent in rapidly rotating systems as planets and stars.
Turbulent flows giving rise to dynamo action can also develop in stably-stratified layers as stellar radiative zones. A complex (3D) velocity field relevant for dynamo action can result from shear instabilities. As it is the case in accretion disk for the MagnetoRotational Instability (MRI), initial magnetic fields can make the flow turbulent (even if shear instabilites cannot operate for these paremeters) such as the initial field is reinforced by promoting dynamo action. In this case, the bifurcation is subcritical. From the subcritical nature of dynamo action in radiative zones, magnetic fields generated by the Tayler-Spruit dynamo can transport angular momentum at different evolutionary phases and considerably reduce the shear rate. This finding could explain the low magnitude of shear rates observed in stellar radiative zones.
Composition du jury
Dominique Bockelée-Morvan (LESIA) - Rapporteur
Johan De Keyser (BIRA, Bruxelles, Belgique) - Rapporteur
Dominique Fontaine (LPP) - Rapporteur
Matthieu Kretzschmar (LPC2E)
François Leblanc (LATMOS)
Aurélie Marchaudon (IRAP)
Philippe Zarka (LESIA)
Résumé :
L’exploration et la compréhension de notre système solaire repose sur un dialogue continu entre observations et modélisations. Dans ce contexte, je m’appuie sur l’instrumentation spatiale, en particulier le développement et l’utilisation de sondes à impédance mutuelle, ainsi que sur la modélisation numérique des plasmas spatiaux pour étudier les environnements ionisés cométaires et planétaires, et du vent solaire.
À l’interface entre physique des plasmas et exploration planétaire, mes travaux de recherche ont pour objectif d’identifier et de décrire les processus physiques qui contrôlent la structure et la dynamique des couches externes cométaires et planétaires du système solaire, ainsi que leurs interactions avec le Soleil et le vent solaire.
À travers la synthèse des travaux scientifiques que j’ai effectués ces dix dernières années, je présenterai pendant cette soutenance de HDR quelques contributions que j’ai pu apporter à notre compréhension des milieux ionisés du système solaire. Je me concentrerai sur des aspects instrumentaux ainsi que sur l’étude des plasmas cométaires favorisée par l’exploitation scientifique de la mission spatiale Rosetta. J’apporterai ensuite quelques perspectives de travail pour la préparation de futures missions d’exploration planétaire et cométaire (BepiColombo, JUICE et Comet Interceptor). Je m’appuierai, entre autres, sur les travaux réalisés avec les doctorants et postdoctorants que j’ai encadrés.
Summary :
The exploration and understanding of our solar system rely on a continuous dialogue between observations and modelling. In this context, I rely on space instrumentation, in particular the development and use of mutual impedance probes, as well as on numerical modelling of space plasmas to study cometary and planetary and interplanetary ionized environments.
At the interface between plasma physics and planetary exploration, the objective of my research activities is to identify and describe the physical processes that control the structure and dynamics of the outer layers of comets and planets in the solar system, and their interactions with the Sun and the solar wind.
During this HDR defence, I will present a synthesis of the scientific work I have performed over the last ten years, through the description of some of the contributions I have made to our understanding of the ionized environments of our solar system. I will focus on instrumental aspects as well as on the study of cometary plasmas enhanced by the scientific exploitation of the Rosetta space mission. I will then bring some perspectives for the preparation of future planetary and cometary exploration missions (BepiColombo, JUICE and Comet Interceptor). I will rely on, among others, the work performed with the PhD students and postdoctoral researchers that I have supervised.
SOUTENANCES HDR 2022
Composition du jury
Marie-Christine Angonin, Professeure, Sorbonne Université, Observatoire de Paris-SYRTE, France
Cardoso Vitor, Professeur, Universidade de Lisboa, Portugal
Daigne Frédéric, Professeur, Institut d’Astrophysique de Paris, France
Eisenhauer Frank, Senior staff scientist, Max Plack Institute for extraterrestrial Physics, Allemagne
Perraut Karine, Astronome, Université de Grenoble Alpes, France
Varnière Peggy, Chargée de Recherches, Laboratoire Astroparticule et Cosmologie, Paris, France
Volonteri Marta, Directrice de Recherches, Institut d’Astrophysique de Paris, France
Résumé :
Les travaux de recherche présentés portent sur l’étude du rayonnement électromagnétique émis à proximité de deux trous noirs supermassifs, Sagittarius A* au centre de la Voie Lactée et M87* au centre de Messier 87, dans le but à la fois de mieux comprendre l’astrophysique du voisinage de ces objets, et afin de tenter de contraindre les propriétés, et la nature, de l’objet compact central.
Summary :
The results presented during the defense are linked with the study of the electromagnetic radiation emanating from the surroundings of two supermassive black holes, Sagittarius A* at the center of the Mily Way, and M87* at the center of Messier87. The aim is to constrain both the astrophysics properties of the stars and gas close to these objects, as well the properties and ultimately the nature of the central compact objects.
Composition du jury
Mme Catherine Boisson (Observatoire de Paris, Meudon , France)
M. André Csillaghy (FHNW, Windisch, Suisse)
Mme Véronique Delouille (Observatoire Royal de Belgique, Uccle, Belgique),
Mme Patricia Desgreys (TelecomParis, Palaiseau, France)
Mme Chiara Ferrari (Observatoire de la Côte d’Azur, Nice, France)
Mme Françoise Genova (Observatoire Astronomique de Strasbourg, Strasbourg, France)
Résumé :
Les émissions radio basses fréquences (< 100 Mhz) sont des traceurs des particules accélérées dans les plasmas du système solaire. Les processus physiques à l’œuvre dans les sources radio basses fréquences transfèrent l’énergie libre présente dans le plasma en onde électromagnétique. Ces signaux radio, ainsi que leurs origines, sont facilement identifiables par les spécificités de leurs morphologies dans l’espace spectro-temporel, ainsi qu’à travers leurs propriétés de polarisation, d’échelle spectro-temporelle de fluctuations et de récurrence temporelle.
Pendant ma soutenance, je développerai les différentes facettes de mon parcours, avec les émissions radio basses fréquence comme fil d’arianne : depuis la conception instrumentale, à l’analyse des données, leur modélisation, le développement de traitements innovants, et la diffusion des produits de données auprès des communautés concernées.
Summary :
Low frequency radio emissions (< 100 Mhz) are tracers of accelerated particles in solar system plasmas. The physical processes at work in low-frequency radio sources transfer the free energy present in the plasma into electromagnetic waves. These radio signals, as well as their origins, are easily identifiable through their specific morphologies in the spectro-temporal space, as well as through their polaization properties, spectro-temporal scales of fluctuations and temporal recurrence.
During my defense, I will develop the different facets of my career, with low frequency radio emissions as a guideline : from instrumental design, to data analysis, modeling, development of innovative treatments, and dissemination of data products to the concerned communities.
SOUTENANCES HDR 2021
Composition du jury
Karine Bocchialini, Professeure, Rapporteuse
Claire Foullon, Senior Lecturer, Rapporteuse
Thierry Passot, Directeur de recherche, Rapporteur
Francesco Califano, Professeur, Examinateur
Christian Jacquey, Astronome, Examinateur
Philippe Zarka, Directeur de recherche, Examinateur
Résumé
Dans le cadre de la soutenance de mon mémoire d’Habilitation à Diriger les Recherches (HDR), je présenterai certains résultats issus de mes travaux de recherche postdoctoraux portant principalement sur l’étude des reconfigurations brutales de la magnétosphère terrestre appelées sous-orages magnétosphériques ainsi que sur les écoulements rapides ou jets de plasmas qui leurs sont associés ou qui peuvent être produits isolément. Ces résultats ont notamment été obtenus dans le cadre de mon implication en tant que responsable des antennes magnétiques des missions multi-satellites de la NASA THEMIS et MMS. Je décrirai également mes perspectives de recherche à court et moyen terme qui reprennent les grandes thématiques fondamentales liées à l’étude des jets de plasma, de la reconnexion magnétique, de la turbulence plasma, des chocs en lien étroit avec l’analyse des données des missions multi-satellites dans la magnétopshère terrestre (Cluster, THEMIS et MMS), de celles évoluant dans le vent solaire (Solar Orbiter et Parker Solar Probe) et de celles qui évolueront dans les magnétosphères planétaires de Jupiter (JUICE) et Mercure (BepiColombo). Enfin, je présenterai mon implication actuelle dans la phase A du projet de constellation Helioswarm (9 satellites) pour l’étude de la turbulence plasma proposé dans le cadre de l’appel MIDEX 2019 de la NASA.
Summary :
For the defense of my ("mémoire d’Habilitation à Diriger les Recherches – HDR)", I will present some results obtained after my PhD. They are mainly focused on sudden magnetic reconfiguration of the Earth’s magnetosphere, the so-called magnetospheric substorms as well as on fast flows or plasma jets which can be linked to substorms or occur as isolated events. These results were notably obtained in the framework of my responsibility for the magnetic antennas of the multi-satellite NASA missions THEMIS and MMS. I will also describe my short and medium term research perspectives which are related to the study of plasma jets, magnetic reconnection, plasma turbulence, shocks in synergy with the analysis of data from terrestrial multi-satellite missions (Cluster, THEMIS and MMS), from missions evolving in the solar wind (Solar Orbiter and Parker Solar Probe) and from those that will evolve in the planetary magnetospheres of Jupiter (JUICE) and Mercury (BepiColombo). Finally, I will present my current involvement in the phase A of the project of constellation Helioswarm (9 satellites) for studying the plasma turbulence proposed in the framework of the NASA MIDEX call 2019.
Composition du jury
Mme Véronique Dehant (Observatoire Royal de Belgique)
Mme Hélène Sol (Observatoire de Paris)
Mme Marie-Christine Angonin (Observatoire de Paris)
Mr Jan Vondrak (Académie des Sciences Tchèque)
Mr François Mignard (Observatoire de la Côte d’Azur)
Mr David Salstein (Atmospheric and Environmental Research, Inc., USA)
Mr Jean-Paul Boy (Université de Strasbourg)
Résumé
Je présenterai quelques aspects de mon travail de recherche concernant les repères de référence céleste et la rotation terrestre, deux domaines a priori déconnectés mais en réalité liés par une technique géodésique fondamentale : l’interférométrie radio à très longue base (VLBI) opérée au sein des services internationaux de l’IAU et de l’IUGG hébergés par l’Observatoire. Je parlerai de la récente réalisation du repère céleste international en radio par VLBI et que l’exploitation scientifique de ces données astrométrique extrêmement précises complémentées par celles de Gaia en termes de physique des AGN. Je parlerai également de l’observation de la nutation terrestre par VLBI qui permet d’inférer certaines propriétés de l’intérieur terrestre notamment liées au noyau et à la graine. Je terminerai par quelques éléments de prospectives dans ces deux domaines.
Summary :
I will present some aspects of my research work concerning celestial reference frames and Earth rotation, two fields a priori disconnected but in reality linked by a fundamental geodetic technique : very long-base radio interferometry (VLBI) operated within the international services of the IAU and IUGG hosted by the Observatory. I will talk about the recent realization of the international celestial reference frame in radio wavelengths by VLBI and the scientific exploitation of these extremely precise astrometric data complemented by those of Gaia in terms of AGN physics. I will also talk about the observation of terrestrial nutation by VLBI which make possible to infer certain properties of the Earth’s interior, particularly related to the core and the inner core. I will conclude with some elements of prospective in these two areas.
Soutenance de HDR de Alexandre LE TIEC sur le sujet : "Physique des trous noirs et mécanique céleste relativiste"
Composition du jury
Leor Barack, University of Southampton
Alessandra Buonanno, Max Planck Institute for Gravitational Physics
Nathalie Deruelle, Laboratoire Astroparticule et Cosmologie
Guillaume Faye, Institut d’Astrophysique de Paris
David Langlois, Laboratoire Astroparticule et Cosmologie
Christophe Le Poncin-Lafitte, SYRTE, Observatoire de Paris
Eric Gourgoulhon, LUTH, Observatoire de Paris
Jean-Philippe Uzan, Institut d’Astrophysique de Paris
Résumé
Résumé : Ma recherche contribue à l’effort collectif visant à modéliser avec précision l’émission de rayonnement gravitationnel en provenance de systèmes binaires d’astres compacts, composés de trous noirs et d’étoiles à neutrons. Ceux-ci figurent parmi les principales sources pour les détecteurs interférométriques terrestres LIGO, Virgo et KAGRA, et le projet d’antenne gravitationnelle spatiale LISA. Cette recherche repose sur une partie du vaste corpus de connaissances solidement établies sur la physique des trous noirs, et vise à étendre ces résultats. J’expliquerai dans un premier temps comment deux des célèbres lois de la mécanique des trous noirs peuvent être généralisées à des systèmes binaires d’objets compacts en orbite circulaire. Je montrerai ensuite comment ces résultats peuvent être étendus à des orbites génériques et à des corps dotés d’un moment cinétique intrinsèque. Finalement, je passerai en revue certaines des nombreuses applications de la première loi de la mécanique des systèmes binaires d’objets compacts, avant de conclure et d’évoquer quelques pistes pour de futures recherches.
Summary : My research contributes to the ongoing, collective effort to model accurately the gravitational-wave emission from binary systems of compact objects, composed of black holes and neutron stars. Those are among the main targets for the ground-based interferometric detectors LIGO, Virgo and KAGRA, and the planned space-based gravitational antenna LISA. This research builds upon—and extends—part of a large body of well-established results on the physics of black holes. I will first discuss how two of the celebrated laws of black hole mechanics can be generalized to binary systems of compact objects moving along circular orbits. I will then show how those results can be extended to generic orbits and spinning compact binaries. Finally, I review some of the various applications of the first law of compact binary mechanics, before concluding and discussing some prospects for future research.
Composition du jury
Marie-Christine Angonin, Professeure, Sorbonne Université, Observatoire de Paris-SYRTE, France,
Frédéric Baudin, Astronome, Institut d’Astrophysique Spatiale, Université Paris-Sud, France,
Patrick Boumier, Directeur de Recherche au CNRS, Institut d’Astrophysique Spatiale, Université Paris-Sud, France,
Marc-Antoine Dupret, Professeur, Université de Liège, Département d’Astrophysique, Belgique,
Arlette Noels- Grötsch, Université de Liège, Département d’Astrophysique, Belgique,
John Leibacher, Astronome, National Solar Observatory, Tucson, USA,
Résumé
La physique stellaire a connu ces dernières années des évolutions importantes et rapides. Une part des avancées est à mettre sur le compte de la sismologie stellaire et l’avènement de l’astérosismologie spatiale, grâce aux missions CoRoT et Kepler, qui ont permis d’augmenter significativement le nombre d’étoiles observées avec des oscillations mais également la qualité de ces observations. De nouveaux champs se sont alors ouverts et des synergies méthodologiques et scientifiques ont émergées. L’arrivée prochaine de la mission spatiale PLATO permettra d’exploiter au mieux toutes ces opportunités et laisse donc entrevoir que l’astérosismologie restera un domaine dynamique pour de nombreuses années encore.
Dans ce contexte, les pulsateurs de type solaire sont certainement ceux qui ont apporté la plus riche moisson de résultats scientifiques. J’aborderai certains aspects, principalement théoriques, sur lesquels j’ai travaillé. En premier lieu, suite à la multiplication des détections des étoiles présentant des oscillations semblables à celles observées dans le Soleil, une nouvelle façon de faire de la sismologie a émergée, c’est la sismologie d’ensemble. Cela va de l’utilisation de lois d’échelle afin d’obtenir des estimations précises des paramètres stellaires à l’exploitation des modes mixtes permettant de sonder le cœur des étoiles évoluées en passant par la mise en évidence du ralentissement du cœur de ces étoiles. La recherche d’un processus physique capable d’expliquer ces observations et donc de redistribuer le moment cinétique est devenu un enjeu majeur. Le second aspect qui sera abordé est lié à la physique des oscillations et à son lien avec les propriétés de la convection turbulente dans les étoiles de faible masse. Cette intrication est le résultat d’un couplage fort dont plusieurs observables viennent témoigner, à savoir : l’amplitude, la largeur, ou encore les fréquences de modes d’oscillation. J’aborderai donc les travaux que j’ai effectué autour de ces observables avec le souci constant de tenter d’appréhender au mieux la physique sous-jacente et ainsi faire le lien avec les propriétés de la turbulence. Obtenir des contraintes fortes sur la turbulence dans des régimes stellaires est en effet un objectif de long terme de mon travail.
Summary :
Stellar physics has undergone important and rapid evolutions in recent years. Part of these advances is due to stellar seismology and the advent of space-borne asteroseismology, thanks to the CoRoT and Kepler spacecrafts, which have significantly increased both the number of stars observed with oscillations and the quality of these observations. New fields have been opened and methodological and scientific synergies have emerged. The forthcoming arrival of the PLATO space mission will allow to exploit all these opportunities and let us foresee that asteroseismology will remain a dynamic field for many years to come.
In this context, the solar type pulsators are certainly those which brought the richest harvest of scientific results. I will discuss here some aspects, mainly theoretical, on which I have worked. First, following the multiplication of stars showing solar-like oscillations, a new way of doing seismology has emerged, it is the ensemble seismology. This goes from the use of scaling laws to obtain precise estimates of stellar parameters to the exploitation of so-called mixed modes to probe the core of evolved stars. This has allowed to highlight the slowing down of the core of these stars during their evolution and thus to emphasize the need for new physical processes to redistribute the angular momentum. The second aspect detailed here is related to the physics of oscillations and its link with the properties of turbulent convection in low mass stars. This entanglement is the result of a strong coupling between these two processes. Several observables testify to this coupling, namely : the amplitude, the width, or the frequencies of oscillation modes. I will approach the work I have done around these observables with the constant concern of trying to understand the underlying physics and thus make the link with the properties of turbulence. Obtaining strong constraints on turbulence in stellar regimes is indeed a long-term goal of my work.
Composition du jury
Thierry Fouchet (OBSPM),
Cathy Quentin (UCB Lyon1),
Frédéric Schmidt (GEOPS),
Cristina De Sanctis (INAF),
Patrick Pinet (IRAP),
Rachel Klima (APL)
Résumé
Les surfaces planétaires des lunes, des astéroïdes, des comètes et des planètes sont extrêmement différentes et reflètent leurs différentes étapes de formation et d’évolution. Les compositions chimiques, les formations géologiques et les propriétés physiques des surfaces planétaires sont des atouts remarquables et disponibles pour reconstruire l’histoire de ces objets. Mes recherches portent sur la compréhension des différentes propriétés de ces surfaces afin de dessiner une vue plus avancée et plus complète du Système solaire, avec l’objectif d’isoler éventuellement les aspects les plus primitifs pour mieux comprendre la formation des surfaces planétaires. Les processus tels que les impacts et le volcanisme sont fondamentaux à tous ces objets et leurs comparaisons directes aident à interpréter la spécificité de chaque objet. De même que l’analyse des formations géologiques sur les petits corps, je compare les processus volcaniques sur la Lune et Mercure pour mieux décrire les ressemblances et/ou différences sur la formation et l’évolution des surfaces planétaires. Pour réaliser ces comparaisons, j’analyse minutieusement les observations du visible au proche infrarouge renvoyées par les instruments de télédétection et j’en extrais les singularités.
Summary :
Planetary surfaces ranging from moons, asteroids, comets and planets are extremely different and reflect various steps of the object’s formation and evolution. Chemical compositions, geological landforms and physical properties of planetary surfaces are remarkable assets available to reconstruct the history of these objects. My research focuses on understanding the various properties of those surfaces in order to draw a more advanced and comprehensive view of the Solar System, with the objective of possibly isolating the most primitive aspects to shed light on the formation of planetary surfaces. Processes such as impacts and volcanism are fundamental for all those objects, and their direct comparisons help to interpret the specificity of each object. Similarly to analysing morphological landforms on small bodies, I compare volcanic processes on the Moon and Mercury to better describe the resemblances and/or differences on the formation and evolution of planetary surfaces. To achieve those comparisons, I meticulously analyse the visible to near-infrared observations returned by remote sensing instruments, and extract peculiarities.
Soutenance de HDR Sandrine VINATIER sur le sujet : "Etude des couplages et des changements saisonniers dans la moyenne atmosphère de Titan"
Composition du jury
Président : Emmanuel Lellouch, Laboratoire d’Etudes Spatiales et d’Instrumentation en Astrophysique
Rapportrices : Isabelle Couturier-Tamburelli, Laboratoire de Physique des Interactions Ioniques et Moléculaires
Caitlin Griffith, Lunar and Planetary Laboratory
Véronique Vuitton, Institut de Planétologie et d’Astrophysique de Grenoble
Examinateurs : Sébastien Lebonnois, Laboratoire de Météorologie Dynamique
Pascal Rannou, Groupe de Spectrométrie Moléculaire et Atmosphérique
Résumé
Je présenterai mes travaux de recherche de 2008 à 2020 qui ont principalement porté sur l’étude du fonctionnement de l’atmosphère de Titan et en particulier sur les couplages entre chimie, microphysique, forçage radiatif et dynamique ainsi que leurs changements saisonniers dans la moyenne atmosphère. La compréhension de ces phénomènes nécessite d’analyser des données présentant des très bonnes résolutions spatiales et temporelles. Les meilleures données disponibles pour atteindre cet objectif sont celles qui ont été acquises par le spectromètre Composite Infrared Spectrometer (CIRS) à bord de la sonde Cassini de 2004 à 2017, soit du premier tiers de l’hiver nord au tout début de l’été sur Titan. J’ai contribué à l’étude de ces couplages principalement grâce à l’analyse de ces données mais également en collaborant avec les modélisateurs et en participant à l’interprétation quantitative des observations.
Après avoir présenté le contexte scientifique, je détaillerai la méthode d’analyse des données du spectromètre CIRS. Je présenterai ensuite mes travaux sur la détermination de la composition et de l’impact radiatif des aérosols photochimiques qui jouent un rôle prépondérant dans le bilan radiatif de l’atmosphère. En effet, étant omniprésents dans l’atmosphère, ils absorbent le rayonnement solaire et émettent en infrarouge thermique, impactant ainsi fortement la température atmosphérique. J’aborderai ensuite l’évolution du champ de température et des abondances d’espèces photochimiques dont les variations saisonnières sont fortement influencées par celles de la dynamique atmosphérique. Je parlerai de l’apparition, de la composition et de la structure du nuage stratosphérique polaire massif observé à partir de la seconde moitié de l’automne sud et directement lié aux faibles température et forts enrichissements moléculaires au sein du vortex polaire. Enfin, je montrerai comment l’évolution de ce vortex polaire à la fin de l’automne sud a impacté les champs d’abondance des espèces photochimiques. L’interprétation quantitative des observations et la compréhension globale d’une atmosphère aussi complexe que celle de Titan ne peut se faire qu’en étroite collaboration avec de nombreuses équipes qui étudient différents aspects de cette atmosphère, ces collaborations seront mentionnées à la fin de la présentation.
Summary :
I will present my research work from 2008 to 2020, which mainly focused on the study of the atmosphere of Titan and more particularly on the couplings between chemistry, microphysics, radiative forcing and dynamics as well as their seasonal changes in the middle atmosphere. Such a study needs data analysis with very good spatial and temporal resolutions. The best datasets available to achieved this goal are those acquired by the Composite Infrared Spectrometer (CIRS) aboard the Cassini probe from 2004 to 2017, i.e. from the first third of northern winter to the very beginning of summer. I contributed to this field mainly through the analysis of CIRS data but also by collaborating with modelers and participating in the quantitative interpretation of observations.
After presenting the scientific context, I will detail the method of data analysis. I’ll then present my work on the determination of the composition and the radiative impact of photochemical aerosols which play a preponderant role in the radiative balance of the atmosphere. Indeed, being ubiquitous in the atmosphere, they absorb solar radiation and emit in thermal infrared, thus strongly impacting the atmospheric temperature. I will then discuss the evolution of the temperature field and the abundances of photochemical species whose seasonal variations are strongly influenced by the atmospheric dynamics. I’ll discuss the appearance, composition and structure of the massive stratospheric polar cloud from the second half of the southern autumn and that directly linked to low temperatures and high molecular enrichments within the polar vortex. Finally, I’ll show how this polar vortex evolved at the end of the southern autumn and how it impacted the fields of abundance of photochemical species. The quantitative interpretation of the observations and understanding of an atmosphere as complex as that of Titan can only be done in close collaboration with many teams that study different aspects of this atmosphere, these collaborations will be presented at the end of the presentation.