Local cascade and dissipation in incompressible Hall magnetohydrodynamic turbulence: the Coarse-Graining approach

We derive the coarse-graining (CG) equations of incompressible Hall Magnetohydrodynamics (HMHD) turbulence to investigate the {\it local (in space)} energy cascade rate as a function of the filtering scale $\ell$. First, the CG equations are space averaged to obtain the analytical expression of the mean cascade rate. Its application to 3 dimensional (3D) simulations of (weakly compressible) HMHD shows a cascade rate consistent with the value of the mean dissipation rate in the simulations and with the classical estimates based on the "third-order" law. Furthermore, we developed an anisotropic version of CG that allows us to study the magnitude of the cascade rate along different directions with respect to the mean magnetic field. Its implementation on the numerical data with moderate background magnetic field shows a weaker cascade along the magnetic field than in the perpendicular plane, while an isotropic cascade is recovered in the absence of a background field. The strength of the CG approach is further revealed when considering the {\it local-in-space} energy transfer, which is shown theoretically and numerically to match at a given position $\bm{x}$, when locally averaged over a neighboring region, the (quasi-)local dissipation. Prospects of exploiting this new model to investigate local dissipation in spacecraft data are discussed.Comment: 14 pages, 8 figures, submitted to Physical Review

Sensitivity of the Cherenkov Telescope Array to spectral signatures of hadronic PeVatrons with application to Galactic Supernova Remnants

The local Cosmic Ray (CR) energy spectrum exhibits a spectral softening at energies around 3~PeV. Sources which are capable of accelerating hadrons to such energies are called hadronic PeVatrons. However, hadronic PeVatrons have not yet been firmly identified within the Galaxy. Several source classes, including Galactic Supernova Remnants (SNRs), have been proposed as PeVatron candidates. The potential to search for hadronic PeVatrons with the Cherenkov Telescope Array (CTA) is assessed. The focus is on the usage of very high energy $\gamma$-ray spectral signatures for the identification of PeVatrons. Assuming that SNRs can accelerate CRs up to knee energies, the number of Galactic SNRs which can be identified as PeVatrons with CTA is estimated within a model for the evolution of SNRs. Additionally, the potential of a follow-up observation strategy under moonlight conditions for PeVatron searches is investigated. Statistical methods for the identification of PeVatrons are introduced, and realistic Monte--Carlo simulations of the response of the CTA observatory to the emission spectra from hadronic PeVatrons are performed. Based on simulations of a simplified model for the evolution for SNRs, the detection of a $\gamma$-ray signal from in average 9 Galactic PeVatron SNRs is expected to result from the scan of the Galactic plane with CTA after 10 hours of exposure. CTA is also shown to have excellent potential to confirm these sources as PeVatrons in deep observations with $\mathcal{O}(100)$ hours of exposure per source.Comment: 34 pages, 16 figures, Accepted for publication in Astroparticle Physic

Turbulence multi-échelles compressible dans les plasmas astrophysiques : une approche théorique, numérique et observationnelle

The Solar Wind is a turbulent plasma whose internal physics has been extensively studied for years through theoretical models, plasma simulations and in situ satellite observations. Understanding the mechanisms hidden behind turbulence energy dissipation is a key step in unraveling the mysteries of the solar wind.In this thesis we first derive new Hall MHD turbulence exact laws, theoretical tools that allow for the calculation of the turbulence energy cascade rate. We develop a program able to compute these laws on 3D simulation datasets, and apply it to a variety of direct numerical simulations of different plasma models. On the one hand, these studies allow us to prove the consistency between the different exact laws existing for a same model and to better understand their detailed behavior. On the other hand, they yield important physical results: the study of Landau-fluid datasets allows us to partly reconcile the fluid and kinetic description of plasmas, justifying the analysis of solar wind energy dissipation through fluid exact laws, and the study of strongly supersonic datasets hints at turbulence playing a key role on the formation of star-forming interstellar filaments.These individual studies are then complemented by the analysis of in situ data measured by MMS in the magnetosheath. The application of the compressible exact laws to these data unveils the odd behavior of the methods used to compute 3D fields derivatives using MMS four satellites. An in-depth investigation of this method, both using MMS data and simulation data through the use of a virtual spacecraft, reveal important errors induced by this method in the calculation of exact laws. These new insights could help preparing future multipoint and multi-scale space missions targeting solar wind turbulence.Le vent solaire est un plasma turbulent dont la physique est largement étudiée depuis de nombreuses années grâce à des modèles théoriques, des simulations et des mesures in situ par satellite. Identifier les mécanismes de dissipation d'énergie turbulente à l’œuvre dans le vent solaire est une nécessité pour mieux comprendre la physique du vent dans son ensemble.Dans cette thèse nous dérivons de nouvelles lois exactes pour la turbulence (in)compressible en MHD Hall, des équations permettant le calcul du taux de cascade d'énergie turbulente. Nous développons un programme à même de calculer ces lois sur des données de simulation 3D, que nous appliquons à un ensemble de simulations numériques directes effectuées pour des modèles de plasmas divers. D'une part, ce travail permet de confirmer l'équivalence entre les différentes lois exactes existant pour un modèle donné, et de mieux comprendre leur fonctionnement intrinsèque. D'autre part, ces simulations permettent d'aboutir à d'importants résultats: elles montrent que la représentation fluide d'un plasma peut rendre compte de la dissipation d'énergie par des mécanismes cinétiques, et une étude de simulations fortement supersoniques précise le role que la turbulence joue dans la formation de filaments interstellaires.À ces études séparées vient enfin s'ajouter l'analyse de données satellites mesurées par MMS dans la magnétogaine. L'utilisation des lois exactes compressibles révèle un comportement anormal de la méthode utilisée pour calculer les dérivées 3D des champs de vecteurs dans la formation MMS. Une étude plus poussée, menée sur la base de données réelles et de simulations (via l'utilisation de satellites virtuels), révèlent que cette méthode induit parfois d'importantes erreurs dans le calcul des lois exactes. Ces révélations pourraient aider à mieux préparer de futures missions spatiales multi-points et multi-echelles à destination du vent solaire

Turbulence multi-échelles compressible dans les plasmas astrophysiques : une approche théorique, numérique et observationnelle

The Solar Wind is a turbulent plasma whose internal physics has been extensively studied for years through theoretical models, plasma simulations and in situ satellite observations. Understanding the mechanisms hidden behind turbulence energy dissipation is a key step in unraveling the mysteries of the solar wind.In this thesis we first derive new Hall MHD turbulence exact laws, theoretical tools that allow for the calculation of the turbulence energy cascade rate. We develop a program able to compute these laws on 3D simulation datasets, and apply it to a variety of direct numerical simulations of different plasma models. On the one hand, these studies allow us to prove the consistency between the different exact laws existing for a same model and to better understand their detailed behavior. On the other hand, they yield important physical results: the study of Landau-fluid datasets allows us to partly reconcile the fluid and kinetic description of plasmas, justifying the analysis of solar wind energy dissipation through fluid exact laws, and the study of strongly supersonic datasets hints at turbulence playing a key role on the formation of star-forming interstellar filaments.These individual studies are then complemented by the analysis of in situ data measured by MMS in the magnetosheath. The application of the compressible exact laws to these data unveils the odd behavior of the methods used to compute 3D fields derivatives using MMS four satellites. An in-depth investigation of this method, both using MMS data and simulation data through the use of a virtual spacecraft, reveal important errors induced by this method in the calculation of exact laws. These new insights could help preparing future multipoint and multi-scale space missions targeting solar wind turbulence.Le vent solaire est un plasma turbulent dont la physique est largement étudiée depuis de nombreuses années grâce à des modèles théoriques, des simulations et des mesures in situ par satellite. Identifier les mécanismes de dissipation d'énergie turbulente à l’œuvre dans le vent solaire est une nécessité pour mieux comprendre la physique du vent dans son ensemble.Dans cette thèse nous dérivons de nouvelles lois exactes pour la turbulence (in)compressible en MHD Hall, des équations permettant le calcul du taux de cascade d'énergie turbulente. Nous développons un programme à même de calculer ces lois sur des données de simulation 3D, que nous appliquons à un ensemble de simulations numériques directes effectuées pour des modèles de plasmas divers. D'une part, ce travail permet de confirmer l'équivalence entre les différentes lois exactes existant pour un modèle donné, et de mieux comprendre leur fonctionnement intrinsèque. D'autre part, ces simulations permettent d'aboutir à d'importants résultats: elles montrent que la représentation fluide d'un plasma peut rendre compte de la dissipation d'énergie par des mécanismes cinétiques, et une étude de simulations fortement supersoniques précise le role que la turbulence joue dans la formation de filaments interstellaires.À ces études séparées vient enfin s'ajouter l'analyse de données satellites mesurées par MMS dans la magnétogaine. L'utilisation des lois exactes compressibles révèle un comportement anormal de la méthode utilisée pour calculer les dérivées 3D des champs de vecteurs dans la formation MMS. Une étude plus poussée, menée sur la base de données réelles et de simulations (via l'utilisation de satellites virtuels), révèlent que cette méthode induit parfois d'importantes erreurs dans le calcul des lois exactes. Ces révélations pourraient aider à mieux préparer de futures missions spatiales multi-points et multi-echelles à destination du vent solaire

Turbulence multi-échelles compressible dans les plasmas astrophysiques : une approche théorique, numérique et observationnelle

The Solar Wind is a turbulent plasma whose internal physics has been extensively studied for years through theoretical models, plasma simulations and in situ satellite observations. Understanding the mechanisms hidden behind turbulence energy dissipation is a key step in unraveling the mysteries of the solar wind.In this thesis we first derive new Hall MHD turbulence exact laws, theoretical tools that allow for the calculation of the turbulence energy cascade rate. We develop a program able to compute these laws on 3D simulation datasets, and apply it to a variety of direct numerical simulations of different plasma models. On the one hand, these studies allow us to prove the consistency between the different exact laws existing for a same model and to better understand their detailed behavior. On the other hand, they yield important physical results: the study of Landau-fluid datasets allows us to partly reconcile the fluid and kinetic description of plasmas, justifying the analysis of solar wind energy dissipation through fluid exact laws, and the study of strongly supersonic datasets hints at turbulence playing a key role on the formation of star-forming interstellar filaments.These individual studies are then complemented by the analysis of in situ data measured by MMS in the magnetosheath. The application of the compressible exact laws to these data unveils the odd behavior of the methods used to compute 3D fields derivatives using MMS four satellites. An in-depth investigation of this method, both using MMS data and simulation data through the use of a virtual spacecraft, reveal important errors induced by this method in the calculation of exact laws. These new insights could help preparing future multipoint and multi-scale space missions targeting solar wind turbulence.Le vent solaire est un plasma turbulent dont la physique est largement étudiée depuis de nombreuses années grâce à des modèles théoriques, des simulations et des mesures in situ par satellite. Identifier les mécanismes de dissipation d'énergie turbulente à l’œuvre dans le vent solaire est une nécessité pour mieux comprendre la physique du vent dans son ensemble.Dans cette thèse nous dérivons de nouvelles lois exactes pour la turbulence (in)compressible en MHD Hall, des équations permettant le calcul du taux de cascade d'énergie turbulente. Nous développons un programme à même de calculer ces lois sur des données de simulation 3D, que nous appliquons à un ensemble de simulations numériques directes effectuées pour des modèles de plasmas divers. D'une part, ce travail permet de confirmer l'équivalence entre les différentes lois exactes existant pour un modèle donné, et de mieux comprendre leur fonctionnement intrinsèque. D'autre part, ces simulations permettent d'aboutir à d'importants résultats: elles montrent que la représentation fluide d'un plasma peut rendre compte de la dissipation d'énergie par des mécanismes cinétiques, et une étude de simulations fortement supersoniques précise le role que la turbulence joue dans la formation de filaments interstellaires.À ces études séparées vient enfin s'ajouter l'analyse de données satellites mesurées par MMS dans la magnétogaine. L'utilisation des lois exactes compressibles révèle un comportement anormal de la méthode utilisée pour calculer les dérivées 3D des champs de vecteurs dans la formation MMS. Une étude plus poussée, menée sur la base de données réelles et de simulations (via l'utilisation de satellites virtuels), révèlent que cette méthode induit parfois d'importantes erreurs dans le calcul des lois exactes. Ces révélations pourraient aider à mieux préparer de futures missions spatiales multi-points et multi-echelles à destination du vent solaire

Turbulence multi-échelles compressible dans les plasmas astrophysiques : une approche théorique, numérique et observationnelle

Le vent solaire est un plasma turbulent dont la physique est largement étudiée depuis de nombreuses années grâce à des modèles théoriques, des simulations et des mesures in situ par satellite. Identifier les mécanismes de dissipation d'énergie turbulente à l’œuvre dans le vent solaire est une nécessité pour mieux comprendre la physique du vent dans son ensemble.Dans cette thèse nous dérivons de nouvelles lois exactes pour la turbulence (in)compressible en MHD Hall, des équations permettant le calcul du taux de cascade d'énergie turbulente. Nous développons un programme à même de calculer ces lois sur des données de simulation 3D, que nous appliquons à un ensemble de simulations numériques directes effectuées pour des modèles de plasmas divers. D'une part, ce travail permet de confirmer l'équivalence entre les différentes lois exactes existant pour un modèle donné, et de mieux comprendre leur fonctionnement intrinsèque. D'autre part, ces simulations permettent d'aboutir à d'importants résultats: elles montrent que la représentation fluide d'un plasma peut rendre compte de la dissipation d'énergie par des mécanismes cinétiques, et une étude de simulations fortement supersoniques précise le role que la turbulence joue dans la formation de filaments interstellaires.À ces études séparées vient enfin s'ajouter l'analyse de données satellites mesurées par MMS dans la magnétogaine. L'utilisation des lois exactes compressibles révèle un comportement anormal de la méthode utilisée pour calculer les dérivées 3D des champs de vecteurs dans la formation MMS. Une étude plus poussée, menée sur la base de données réelles et de simulations (via l'utilisation de satellites virtuels), révèlent que cette méthode induit parfois d'importantes erreurs dans le calcul des lois exactes. Ces révélations pourraient aider à mieux préparer de futures missions spatiales multi-points et multi-echelles à destination du vent solaire.The Solar Wind is a turbulent plasma whose internal physics has been extensively studied for years through theoretical models, plasma simulations and in situ satellite observations. Understanding the mechanisms hidden behind turbulence energy dissipation is a key step in unraveling the mysteries of the solar wind.In this thesis we first derive new Hall MHD turbulence exact laws, theoretical tools that allow for the calculation of the turbulence energy cascade rate. We develop a program able to compute these laws on 3D simulation datasets, and apply it to a variety of direct numerical simulations of different plasma models. On the one hand, these studies allow us to prove the consistency between the different exact laws existing for a same model and to better understand their detailed behavior. On the other hand, they yield important physical results: the study of Landau-fluid datasets allows us to partly reconcile the fluid and kinetic description of plasmas, justifying the analysis of solar wind energy dissipation through fluid exact laws, and the study of strongly supersonic datasets hints at turbulence playing a key role on the formation of star-forming interstellar filaments.These individual studies are then complemented by the analysis of in situ data measured by MMS in the magnetosheath. The application of the compressible exact laws to these data unveils the odd behavior of the methods used to compute 3D fields derivatives using MMS four satellites. An in-depth investigation of this method, both using MMS data and simulation data through the use of a virtual spacecraft, reveal important errors induced by this method in the calculation of exact laws. These new insights could help preparing future multipoint and multi-scale space missions targeting solar wind turbulence

A compact exact law for compressible isothermal Hall magnetohydrodynamic turbulence

International audienceUsing mixed second-order structure functions, a compact exact law is derived for isothermal compressible Hall magnetohydrodynamic turbulence with the assumptions of statistical homogeneity, time stationarity and infinite kinetic/magnetic Reynolds numbers. The resulting law is written as the sum of a Yaglom-like flux term, with an overall expression strongly reminiscent of the incompressible law, and a pure compressible source. Being mainly a function of the increments, the compact law is Galilean invariant but is dependent on the background magnetic field if one is present. Only the magnetohydrodynamic source term requires multi-spacecraft data to be estimated whereas the other components, which include those introduced by the Hall term, can be fully computed with single-spacecraft data using the Taylor hypothesis. These properties make this compact law more appropriate for analysing both numerical simulations and in situ data gathered in space plasmas, in particular when only single-spacecraft data are available

Expériences avec un smartphone autour du magnétisme en relation avec la tectonique des plaques

Les smartphones intègrent aujourd'hui de nombreux capteurs permettantd'aborder sous une forme attractive de nombreux aspectsdes programmes scolaires. Nous proposons ici une approche dumagnétisme en liaison avec le rôle majeur qu'il a joué dans l'établissementde la théorie de la tectonique des plaques

Expériences avec un smartphone autour du magnétisme en relation avec la tectonique des plaques

Les smartphones intègrent aujourd'hui de nombreux capteurs permettantd'aborder sous une forme attractive de nombreux aspectsdes programmes scolaires. Nous proposons ici une approche dumagnétisme en liaison avec le rôle majeur qu'il a joué dans l'établissementde la théorie de la tectonique des plaques