Emilie Richer, docteur en physique des plasmas
Emilie Richer, docteur en Physique de l’Université Pierre et Marie Curie (UPMC) - promotion Philippe Taquet, s’est consacrée durant sa thèse à l’étude des environnements de Mars et de Mercure et de leur interaction avec le vent solaire par le biais de la modélisation et de la simulation numérique.
Intéressée par la physique et les sciences de l’Univers depuis le début de ses études secondaires, elle a effectué une licence de physique fondamentale à l’Université Denis Diderot puis un Master recherche en Planétologie à l’UPMC.
Elle a ensuite effectué son doctorat, de septembre 2009 à septembre 2012, au Laboratoire de Physique des Plasmas (LPP) de l’Ecole Polytechnique.
Toujours au LPP, Emilie poursuit ses recherches sur les environnements de Mars et de Mercure et effectue un travail de communication scientifique.
Un vent solaire souffle sur Mars…
La planète Mars suscite depuis l’antiquité un grand intérêt et fait l’objet d’une exploration in situ depuis plus de 50 ans. Le robot Curiosity de la NASA, arrivé sur Mars en août 2012, a d’ailleurs confirmé que les conditions favorables à l’apparition de la vie sur la planète ont été réunies il y a quelques milliards d’années. L’environnement martien lui aussi est l’objet de nombreuses recherches visant à comprendre l’évolution de cette planète dont les conditions à la surface devaient être proches de celles de la Terre dans le passé. Je me suis consacrée durant ma thèse à l’étude de l’interaction de Mars avec le milieu interplanétaire par le biais de la modélisation et de la simulation numérique. J’ai notamment mené ces investigations sur le milieu ionisé (plasma) environnant la planète rouge.
La physique des plasmas pour étudier Mars
Le plasma, considéré comme le 4e état de la matière, est un gaz auquel on a fourni suffisamment d’énergie pour que les particules qui le constituent soient électriquement chargées. Les plasmas existent à l’état naturel (les éclairs, les étoiles, le vent solaire, …) mais on peut également les rencontrer dans des applications industrielles (tubes fluorescents, fusion nucléaire, propulsion plasma, …). Les conditions de pression et de température à la surface de la Terre ne sont pas favorables au maintien de cet état. Toutefois, il est souvent mentionné que les plasmas représentent plus de 99% de la matière connue de l’univers. Le système solaire devient, grâce à l’exploration spatiale, un véritable laboratoire de physique des plasmas.
Le vent solaire est le plasma constamment éjecté par le Soleil qui se propage dans le milieu interplanétaire, il est lié au champ magnétique du Soleil appelé champ magnétique interplanétaire. Son écoulement est modifié lorsqu’il rencontre un obstacle planétaire en fonction des caractéristiques de l’obstacle. L’environnement planétaire est lui aussi perturbé par le vent solaire. Ce dernier joue par exemple un rôle important dans l’érosion de l’atmosphère martienne.
La couche de plasma située au sommet de l’atmosphère Martienne, l’ionosphère, sert d’obstacle à l’écoulement du vent solaire. De l’interaction de l’ionosphère avec ce dernier, résulte la formation d’une cavité quasiment vide de plasma solaire autour de la planète appelée magnétosphère induite et d’une onde de choc en amont de celle-ci. Le terme magnétosphère est utilisé seul pour caractériser la région dans laquelle le champ magnétique global de la planète domine par rapport au champ magnétique interplanétaire (Terre, Mercure). Ce n’est pas le cas de Mars car elle n’a pas de champ magnétique global.
Les particules électriquement chargées (ions et électrons) qui constituent le vent solaire peuvent être réfléchies par l’onde de choc de Mars. La réflexion de particules incidentes sur un choc planétaire est observée dans les cas de la Terre et de Vénus également. L’étude de ce phénomène présente un fort intérêt car elle permet de caractériser la manière dont la planète et le vent solaire interagissent.
La portée de la modélisation et de la simulation numérique
Mon travail de thèse représente un effort de modélisation et de simulation numérique comprenant le développement de programmes de simulation, l’utilisation de modèles qui existaient déjà et la confrontation constante des résultats de simulation et des observations in situ. La simulation numérique est un outil important qui sert de complément à l’exploration spatiale. Les missions spatiales dédiées à l’environnement martien, bien que nombreuses et de plus en plus adaptées, présentent des limitations spatiales et temporelles. La simulation numérique permet de palier ces contraintes en donnant accès aux chercheurs à toutes les régions de la magnétosphère induite et de l’onde de choc virtuelles de Mars.
En utilisant un modèle de simulation de l’interaction de Mars avec le vent solaire développé par mes directeurs de thèse, j’ai reproduit la structure globale de l’environnement martien. J’ai ensuite développé un modèle dit de particule-test. Il sert à suivre le déplacement de particules électriquement chargées dans l’environnement déterminé par le premier modèle. Cette méthode a permis d’identifier les particules réfléchies par l’onde de choc de Mars et d’en faire l’analyse complète.
Les résultats obtenus sur les particules réfléchies grâce à ces simulations offrent la possibilité de reproduire le type de mesures effectuées par les capteurs des instruments embarqués sur des sondes spatiales. Ils sont en accord avec les observations de la sonde Mars Express et ils reproduisent les signatures de cette population de particules réfléchies aussi bien au niveau de leurs énergies que de leur localisation.
Ces résultats peuvent également contribuer à l’interprétation des observations in situ. Par exemple, seules les simulations numériques permettent d’analyser les caractéristiques des particules avant que leur réflexion n’ait eu lieu et de déterminer la région où les particules sont réfléchies. Ces informations sont précieuses pour comprendre le mécanisme de réflexion sur le choc martien.
L’approche que j’ai adoptée pour étudier le phénomène de réflexion de particules sur l’onde de choc de Mars est transposable sur Mercure. Ce sont les avantages de la modélisation et de la simulation numérique dans le domaine des sciences planétaires.
Vue d’artiste de la magnétosphère induite et de l’onde de choc de Mars. Crédit : ESA.
Cet article a également été publié sur la page "Têtes chercheuses" de l'Huffingtonpost
