La difficulté théorique vient du fait que le milieu est faiblement collisionnel, un domaine de la physique des plasmas encore mal connu. Or, les modèles hydrodynamiques sont basés sur l’équilibre thermodynamique local, ce qui est loin d’être vrai pour les électrons du vent solaire. En effet, les fonctions de distribution des vitesses des électrons mesurées in situ ne sont pas maxwelliennes, mais présentent un excès d’électrons suprathermiques (Figure 1).

Figure 1 :

Ces électrons jouent un rôle primordial pour l’accélération du vent dans une approche théorique récemment élaborée par Iannis Zouganelis et collaborateurs qui a permis d’obtenir pour la première fois des vitesses de vent aussi élevées que celles observées (Figure 2). Il s’agit d’une modélisation cinétique d’un milieu hors équilibre thermodynamique qui permet de reproduire des profils de vitesse transsoniques, sans faire appel à un apport ad-hoc d’énergie [Zouganelis et al., ApJ, 2004].

Fonction de distribution des vitesses des électrons mesurée dans le vent solaire (en bleu) et fonction maxwellienne équivalente (en rouge). L’écart à l’équilibre des électrons à haute énergie joue un rôle primordial à l’accélération du vent rapide [Adaptée de Maksimovic et al., JGR, 2005, sous presse]. Cliquer sur l’image pour l’agrandir

Ces résultats viennent d’être confirmés par des simulations cinétiques indépendantes qui tiennent compte des collisions Coulombiennes entre les particules. Ce travail a également unifié des approches théoriques précédentes qui étaient valables uniquement dans des cas de conditions initiales particulières [Zouganelis et al., ApJL, 2005, sous presse]. Cette généralisation permet d’inclure des cas autres que le vent solaire, par exemple des vents stellaires de type solaire où la couronne de l’étoile « exploserait » et le vent serait supersonique dès son départ. La théorie ne pourrait être confirmée que par des mesures in situ dans la couronne très près du Soleil puisque l’essentiel de l’accélération devrait avoir lieu à une distance inférieure à 10 rayons solaires (Figure 2). L’existence de fonctions de distribution non maxwelliennes dans la couronne ainsi que leur origine seront éventuellement dévoilées par la future mission « Solar Probe » qui devrait visiter la couronne avec un périhélie de 4 rayons solaires (Figure 3). Cette mission est prévue pour l’horizon 2015-2020 et les astronomes français participent activement à sa définition.

Figure 2 :

Références Acceleration of weakly collisional solar-type winds I. Zouganelis *, N. Meyer-Vernet *, S. Landi, M. Maksimovic * et F. Pantellini * The Astrophysical Journal Letters, 2005, sous presse astro-ph/0505324 A transonic collisionless model of the solar wind I. Zouganelis *, M. Maksimovic *, N. Meyer-Vernet *, H. Lamy et K. Issautier * The Astrophysical Journal, 2004, 606, 542 astro-ph/0402358 Radial evolution of the electron distribution functions in the fast solar wind between 0.3 and 1.5 AU M. Maksimovic *, I. Zouganelis *, J.-Y. Chaufray, K. Issautier *, E.E. Scime, J.E. Littleton, E. Marsch, D.J. McComas, C. Salem, R.P. Lin et H. Elliott Journal of Geophysical Research, 2005, sous presse (*) Paris Observatory (LESIA)

Contact Ioannis Zouganelis (Observatoire de Paris, LESIA)

Dernière modification le 22 février 2013

The theoretical difficulty lies in the fact that the plasma is weakly collisional, a field of plasma physics that is still not well understood. The hydrodynamic models are based on local thermodynamic equilibrium, which is far from being true in the case of solar wind electrons. Indeed, the velocity distribution functions of the electrons measured in situ are not Maxwellian, but present an excess of suprathermal electrons (Figure 1).

Figure 1 :

These electrons play a key role in the wind acceleration in a theoretical approach recently proposed by Ioannis Zouganelis and collaborators. This study allowed to obtain, for the first time, high speed winds that match the actual measurements (Figure 2). It is about a kinetic model of a plasma out of thermodynamic equilibrium which makes possible to reproduce transonic speed profiles, without any ad hoc additional energy [Zouganelis et al., ApJ, 2004].

These results have just been confirmed by independent kinetic simulations which take into account Coulomb collisions between particles. This work also unifies previous theoretical approaches which were valid only for particular initial conditions [Zouganelis et al, ApJL, 2005, in press]. This generalization makes possible for the model to include phenomena other than the solar wind, for example solar-type stellar winds where the corona of the star would "explode" and the wind would already be supersonic at its base. This theory could only be confirmed by in situ measurements in the corona very close to the Sun, since the biggest part of the acceleration would take place at a distance lower than 10 solar radii (Figure 2). The existence of non Maxwellian distribution functions in the corona, as well as their origin, may be revealed by the future mission "Solar Probe," which will visit the corona with a perihelion of 4 solar radii (Figure 3). This mission is planned for 2015-2020 and French astronomers are taking an active part in its definition.

Figure 2 :

References Acceleration of weakly collisional solar-type winds I. Zouganelis *, N. Meyer-Vernet *, S. Landi, M. Maksimovic * et F. Pantellini * The Astrophysical Journal Letters, 2005, in press astro-ph/0505324 A transonic collisionless model of the solar wind I. Zouganelis *, M. Maksimovic *, N. Meyer-Vernet *, H. Lamy et K. Issautier * The Astrophysical Journal, 2004, 606, 542 astro-ph/0402358 Radial evolution of the electron distribution functions in the fast solar wind between 0.3 and 1.5 AU M. Maksimovic *, I. Zouganelis *, J.-Y. Chaufray, K. Issautier *, E.E. Scime, J.E. Littleton, E. Marsch, D.J. McComas, C. Salem, R.P. Lin et H. Elliott Journal of Geophysical Research, 2005, in press (*) Paris Observatory (LESIA)

Contact Ioannis Zouganelis (Observatoire de Paris, LESIA)

Dernière modification le 4 mars 2013