Rozprawy doktorskie na temat „Plasma non collisionels”

La reconnexion magnétique est une modification de la topologie du champ magnétique, responsable de la libération explosive d'énergie magnétique dans les plasmas astrophysiques, comme dans le cas des orages magnétosphériques et des éjections de masse coronale, ainsi que dans les plasmas de laboratoire, comme dans le cas des crashs en dents de scie dans les tokamaks. Dans les plasmas sans collisions comme, par exemple, la magnétosphère et le vent solaire, l'inertie des électrons devient particulièrement pertinente pour provoquer la reconnexion dans les régions de courant localisé intense, appelées feuilles de courant. Dans ces environnements non collisionnels, la température peut souvent être anisotrope et les effets à l'échelle électronique sur le processus de reconnexion peuvent devenir non négligeables.Dans cette thèse, la stabilité des feuilles de courant bidimensionnelles dans des plasmas sans collisions avec un fort champ guide est analysée sur la base de modèles gyrofluides assumant des ions froids. Ces modèles peuvent prendre en compte une anisotropie de température d'équilibre, et un βe fini. Ce dernier est un paramètre correspondant au rapport entre la pression cinétique électronique d'équilibre et la pression magnétique.Nous dérivons et analysons une relation de dispersion pour le taux de croissance des modes tearing sans collisions tenant compte de l'anisotropie de la température d'équilibre des électrons. Les prédictions analytiques sont testées par des simulations numériques, montrant un très bon accord quantitatif.Dans le cas isotrope, en tenant compte des effets βe finis, nous observons une stabilisation du taux de croissance du mode tearing lorsque les effets du rayon de Larmor fini des électrons deviennent pertinents. Dans la phase non linéaire, des phases de ralentissement et des phases d'accélération sont observées, de manière similaire à ce qui se produit en présence d'effets de rayon de Larmor fini ionique.Nous étudions également les conditions de stabilité marginale des feuilles de courant secondaires, pour le développement de plasmoïdes, dans des plasmas sans collisions. Dans le régime isotrope βe → 0, nous analysons la géométrie qui caractérise le feuillet de courant, et identifions les conditions pour lesquelles elle devient instable à l'instabilité plasmoïde. Notre étude montre que des plasmoïdes peuvent être obtenus, dans ce contexte, à partir de feuille de courants aillant un rapport d'aspect beaucoup plus petit que dans le régime collisionnel. De plus, nous étudions la formation de plasmoïdes en comparant les simulations gyrofluides et gyrocinétiques.Ceci a permis de montrer que l'effet de βe favorise l'instabilité plasmoïde. Enfin, nous étudions l'impact de la fermeture appliquée sur les moments, effectuée lors de la dérivation du modèle gyrofluide, sur la distribution et la conversion de l'énergie lors de la reconnexion
Magnetic reconnection is a change of topology of the magnetic field, responsible for explosive release of magnetic energy in astrophysical plasmas, as in the case of magnetospheric substorms and coronal mass ejections, as well as in laboratory plasmas, which is the case of sawtooth crashes in tokamaks. In collisionless plasmas as, for instance, the magnetosphere and the solar wind, electron inertia becomes particularly relevant to drive reconnection at regions of intense localized current, denoted as current sheets. In these non-collisional environments, the temperature can often be anisotropic and effects at the electron scale on the reconnection process can become non-negligible.In this thesis, the stability of two-dimensional current sheets, with respect to reconnecting perturbations, in collisionless plasmas with a strong guide field is analysed on the basis of gyrofluid models assuming cold ions. These models can take into account an equilibrium temperature anisotropy,and a finite βe, a parameter corresponding to the ratio between equilibrium electron kinetic pressure and magnetic pressure.We derive and analyze a dispersion relation for the growth rate of collisionless tearing modes accounting for equilibrium electron temperature anisotropy. The analytical predictions are tested against numerical simulations, showing a very good quantitative agreement.In the isotropic case, accounting for finite βe effects, we observe a stabilization of the tearing growth rate when electron finite Larmor radius effects become relevant. In the nonlinear phase, stall phases and faster than exponential phases are observed, similarly to what occurs in the presence of ion finite Larmor radius effects.We also investigate the marginal stability conditions of secondary current sheets, for the development of plasmoids, in collisionless plasmas. In the isotropic βe → 0 regime, we analyze the geometry that characterizes the reconnecting current sheet, and identify the conditions for which it is plasmoid unstable. Our study shows that plasmoids can be obtained, in this context, from current sheets with an aspect ratio much smaller than in the collisional regime. Furthermore, we investigate the plasmoid formation comparing gyrofluid and gyrokinetic simulations.This made it possible to show that the effect of finite βe, promotes the plasmoid instability. Finally, we study the impact of the closure applied on the moments, performed during the derivation of the gyrofluid model, on the distribution and conversion of energy during reconnection
La riconnessione magnetica è un cambiamento nella topologia delcampo magnetico, responsabile del rilascio esplosivo di energia magnetica nei plasmiastrofisici, come nelle tempeste magnetosferiche e nelle espulsioni di massa coronale,nonché nei plasmi di laboratorio, come nel caso delle oscillazioni a dente di sega neitokamak. Nei plasmi non-collisionali come, ad esempio, la magnetosfera e il vento solare,l’inerzia elettronica diventa particolarmente efficace nel causare la riconnessionein regioni di corrente intensa e localizzata, detti strati di corrente. In tali plasmi noncollisionali,la temperatura può essere spesso anisotropa e gli effetti su scala elettronicasul processo di riconnessione possono diventare non trascurabili.In questa tesi, viene analizzata la stabilità di strati di corrente bidimensionali inplasmi non-collisionali con un forte campo guida, sulla base di modelli girofluidi cheassumono ioni freddi. Questi modelli possono tenere conto di un’anisotropia di temperaturadi equilibrio e di un βe finito. Quest’ultimo è un parametro corrispondente alrapporto tra la pressione cinetica elettronica di equilibrio e la pressione magnetica.Deriviamo e analizziamo una relazione di dispersione per il tasso di crescita dei moditearing non-collisionali tenendo conto dell’anisotropia della temperatura di equilibriodegli elettroni. Le previsioni analitiche sono verificate mediante simulazioni numeriche,che mostrano un ottimo accordo quantitativo. Nel caso isotropico, tenendoconto degli effetti di βe finito, si osserva una stabilizzazione del tasso di crescita delmodo tearing quando diventano rilevanti gli effetti del raggio finito di Larmor deglielettroni. Nella fase non lineare si osservano fasi di decelerazione e fasi di accelerazione,simili a quanto avviene in presenza di effetti del raggio di Larmor finito ionico.Studiamo anche le condizioni di stabilità marginale degli strati di corrente secondaria,per lo sviluppo di plasmoidi, in plasmi senza collisioni. Nel regime isotropicocon βe → 0, analizziamo la geometria che caratterizza lo strato di corrente e identifichiamole condizioni in cui esso diventa instabile a causa di un’instabilità che generaplasmoidi. Il nostro studio mostra che i plasmoidi possono essere ottenuti, in questocontesto, da strati di corrente aventi un rapporto d’aspetto molto più piccolo rispettoal regime collisionale. Inoltre, studiamo la formazione di plasmoidi confrontando simulazionigirofluidi e girocinetiche. Ciò ha permesso di dimostrare che l’effetto di βe promuove l’instabilità che genera plasmoidi. Infine, si studia l’impatto della chiusuraapplicata ai momenti, eseguita durante la derivazione del modello girofluido, sulla distribuzionee conversione dell’energia durante la riconnessione

L'interaction d'un plasma avec une impulsion laser-intense suscite de plus en plus d'intérêt du fait des progrès en matière de technologie laser d'outils numériques. La réaction du rayonnement affecte la dynamique des électrons, celle du rayonnement synchrotron, ainsi que celle des ions via le champ de séparation de charge, pour des intensités laser supérieures à 10puissance22 W/CM2. les équations cinétiques régissant le transport de particules à ultra-haute intensité ont été obtenues. La réaction du rayonnement implique la contraction du volum de l'epace des phases des électrons A l'aide de simulations numériques nous avons démontré la forte rétro-action que les effets collectifs induisent sur le rayonnement synchrotron généré par les électons accélérés. L'importance des effets collectifs dépend fortement de la masse des ions et de l'épaisseur du plasma considéré. Ces effets pourraient être vérifiés expérimentalement avec des cibles cryogéniques d'hydrogène
Résumé en anglais

Les chocs non-collisionnels jouent un rôle majeur dans de nombreux événements astrophysiques à haute densité d'énergie (sursauts gamma, restes de supernovæ, vents de pulsar...), et seraient responsables de la génération de particules supra-thermiques et de radiations. Les simulations ont démontré qu'en l’absence de champs magnétiques externes, des instabilités électromagnétiques peuvent prendre place lors de la collision de plasmas à haute vitesse. Les instabilités du type Weibel sont en effet capables de faire croître, dans ces milieux, une turbulence électromagnétique potentiellement en mesure de défléchir et d'accélérer des particules par des processus du type Fermi. En plus d'une compréhension théorique toujours croissante, la génération expérimentale de tels chocs est maintenant étudiée à l'aide de lasers de puissance. Les fluctuations thermiques électromagnétiques constituent les germes des instabilités se développant dans un plasma. Nous nous sommes attelés à leur description dans le cas d’un plasma relativiste régi par une fonction de distribution de type Maxwell-Jüttner. Des formules exactes de la densité spectrale ont pu être obtenues pour différentes orientations du vecteur propre. Ces résultats ont pu être confrontés aux prédictions d’un code de simulation particle-in-cell (PIC). Un très bon accord a été démontré.Ces résultats ont été exploités lors d'une collaboration internationale dont le but était d'estimer le temps de saturation de l'instabilité cinétique de Weibel, générant des fluctuations magnétiques. Les estimations obtenues ont pu être validées par des simulations PIC sur trois ordres de grandeur d'énergie de dérive.Nous avons ensuite mené une étude théorique et numérique des collisions de plasma d'électrons-ions en régime non-collisionnel ayant lieu lors d'événements astrophysiques tels que les restes de supernovæ. Par-delà un intérêt académique pour la compréhension des processus de transfert/transport d’énergie au sein des plasmas, la récente génération de tels plasmas en laboratoire ouvre des perspectives inédites en astrophysique des hautes énergies. La zone de recouvrement de ces faisceaux de particules est sujette à des instabilités cinétiques du type Weibel, générant des champs magnétiques intenses.Nous avons modélisé l'évolution non-linéaire d'un système soumis à l'instabilité de Weibel, et obtenu des formules analytiques de l'évolution des paramètres plasmas (températures et vitesse de dérive) et des champs magnétiques. Le modèle prédit ainsi l’évolution du système jusqu’à un stade proche de l’isotropisation complète des populations de particules et donc jusqu'à la formation d’un choc non-collisionnel. Ce modèle, en accord avec des simulations du type « particle-in-cell », pu aussi être comparé à des résultats expérimentaux récents. L'étude de la propagation des chocs non-collisionnels, m'a permis de généraliser le précédent modèle au cas de la turbulence magnétique ayant lieu en amont du front de choc.Nous nous sommes consacrés enfin aux chocs non-collisionnels créés dans un plasma dense (opaque) irradié par un laser intense. L’interaction laser-plasma qui en résulte donne lieu à un important courant d'électrons relativistes qui sont à l’origine d’instabilités cinétiques (de filamentation notamment) susceptibles d'évoluer en choc non-collisionnel. Une observation originale, contrastant avec les premières publications sur le sujet est que pour les paramètres considérés (un laser d’éclairement ~1021 Wcm-2, interagissant avec une cible solide), le choc résulte de la turbulence magnétique produite par l’instabilité électronique, plutôt que par l’instabilité ionique (dont la croissance est plus tardive). En d’autres termes, compte tenu de l’énergie très élevée des électrons accélérés par le laser, la turbulence qu'ils génèrent s’avère assez forte pour rapidement défléchir les ions
Collisionless shocks play a major role in powerful astrophysical objects (e.g., gamma-ray bursts, supernova remnants, pulsar winds, etc.), where they are thought to be responsible for non-thermal particle acceleration and radiation. Numerical simulations have shown that, in the absence of an external magnetic field, these self-organizing structures originate from electromagnetic instabilities triggered by high-velocity colliding flows. These Weibel-like instabilities are indeed capable of producing the magnetic turbulence required for both efficient scattering and Fermi-type acceleration. Along with rapid advances in their theoretical understanding, intense effort is now underway to generate collisionless shocks in the laboratory using energetic lasers. In a first part we study the (w,k)-resolved electromagnetic thermal spectrum sustained by a drifting relativistic plasma. In particular, we obtain analytical formulae for the fluctuation spectra, the latter serving as seeds for growing magnetic modes in counterstreaming plasmas. Distinguishing between subluminal and supraluminal thermal fluctuations, we derived analytical formulae of their respective spectral contributions. Comparisons with particle-in-cell (PIC) simulations are made, showing close agreement in the subluminal regime along with some discrepancy in the supraluminal regime. Our formulae are then used to estimate the saturation time of the Weibel instability of relativistic pair plasmas. Our predictions are shown to match 2-D particle-in-cell (PIC) simulations over a three-decade range in flow energyWe then develop a predictive kinetic model of the nonlinear phase of the Weibel instability induced by two counter-streaming, symmetric and non-relativistic ion beams. This self consistent, fully analytical model allows us to follow the evolution of the beams' properties up to a stage close to complete isotropization and thus to shock formation. Its predictions are supported by 2D and 3D particle-in-cell (PIC) simulations of the ion Weibel instability in uniform geometries, as well as shock-relevant non-uniform configurations. Moreover, they are found in correct agreement with a recent laser-driven plasma collision experiment. Along with this comparison, we pinpoint the important role of electron screening on the ion-Weibel dynamics, which may affect the results of simulations with artificially high electron mass. We subsequently address the shock propagation resulting from the magnetic Weibel turbulence generated in the upstream region. Generalizing the previous symmetric-beam model to the upstream region of the shock, the role of the magnetic turbulence in the shock-front has been analytically and self-consistently characterized. Comparison with simulations validates the model. The interaction of high-energy, ultra-high intensity lasers with dense plasmas is known to produce copious amounts of suprathermal particles. Their acceleration and subsequent transport trigger a variety of Weibel-like electromagnetic instabilities, acting as additional sources of slowing down and scattering. Their understanding is important for the many applications based upon the energy deposition and/or field generation of laser-driven particles. We investigate the ability of relativistic-intensity laser pulses to induce Weibel instability-mediated shocks in overdense plasma targets, as first proposed by Fiuza in 2012. By means of both linear theory and 2D PIC simulations, we demonstrated that in contrast to the standard astrophysical scenario previously addressed, the early-time magnetic fluctuations (Weibel instability) generated by the suprathermal electrons (and not ions) are strong enough to isotropize the target ions and, therefore, induce a collisionless electromagnetic shock

Ce travail rentre dans le cadre de la simulation numerique des problemes fortement nonlineaires en physique des plasmas non collisionnels. A cet effet, nous avons etudie trois aspects differents de ces problemes. Le premier chapitre traite l'expansion d'un plasma constitue de trois especes (electrons, ions positifs et ions negatifs). Les equations de bases sont ecrites dans une nouvelle echelle en espace et en temps a l'aide des transformations du redimensionnement qui absorbent analytiquement l'expansion. Dans ce plasma, la temperature decroit en t - 2 et le nouveau temps est une compression logarithmique. Les resultats numeriques sont donnes par un code eulerien. La simulation numerique du systeme vlasov-poisson exhibe une filamentation dans l'espace des phases. Dans le deuxieme chapitre nous etudions une nouvelle methode introduite par a. Klimas dans le but de remedier a cette filamentation. Cette methode consiste a convoler la fonction de distribution avec une gaussienne en vitesse. Nous etudions la stabilite du systeme vlasov-poisson qui decoule de cette operation, ensuite nous montrons la necessite de la transformee de fourier en les variables d'espace et de vitesse pour la resolution de cette nouvelle equation. Bien que l'entropie soit theoriquement un invariant du systeme vlasov-poisson, elle presente une croissance numerique. Ce phenomene se traduit par une perte d'information. Dans le troisieme chapitre nous evaluons cette perte.

Cette thèse s'inscrit dans le cadre de l'astrophysique de laboratoire. Nous abordons divers aspects de la physique des chocs non-collisionels en présence de flots de plasma relativistes dans des configurations d'intérêt pour les communautés astrophysique et de l’interaction laser-plasma (ILP). Notre approche repose sur la modélisation analytique et la simulation cinétique haute-performance, outil central pour décrire les processus d'ILP et la physique non linéaire à l'origine des chocs étudiés. Le code Particle-in-Cell SMILEI a été largement utilisé et développé au cours ce travail. Trois configurations physiques sont étudiées. L’instabilité Weibel en présence de faisceaux d'électrons contre-propagatifs alignés avec un champ magnétique externe est décrite. Les phases linéaires et non linéaires sont expliquées à l’aide de modèles théoriques confirmés par des simulations. La génération de chocs non-collisionels lors de l’interaction de deux plasmas relativistes de paires est étudiée en présence d’un champ magnétique perpendiculaire. L’accent est mis sur la comparaison des prédictions théoriques sur les grandeurs macroscopiques avec les simulations, ainsi que sur la définition du temps de formation du choc, l’ensemble de ces grandeurs étant d’une grande importance pour de futures expériences. Enfin, nous proposons un schéma permettant de recréer, en laboratoire, l’instabilité Weibel ionique par l'utilisation d'un laser intense. Les flots de plasmas produits ici sont plus rapides et denses que dans les expériences actuelles, conduisant à un taux de croissance et des champs magnétiques plus élevés. Ces résultats sont également important pour l’ILP à très haute intensité
The work presented in this thesis belongs to the general framework of Laboratory Astrophysics. We address various aspects of the physics of collisionless shocks developing in the presence of relativistic plasma flows, in configurations of interest for the astrophysical and the laser-plasma interaction (LPI) communities. The approach used throughout this thesis relied on both analytical modeling and high-performance kinetic simulations, a central tool to describe LPI processes as well as the non-linear physics behind shock formation. The PIC code SMILEI has been widely used and developed during this work. Three physical configurations are studied. First we consider the Weibel instability driven by two counter-streaming electron beams aligned with an external magnetic field. The linear and non-linear phases are explained using theoretical models confirmed by simulations.Then the generation of non-collisional shocks during the interaction of two relativistic plasma pairs is studied in the presence of a perpendicular magnetic field. We focus on the comparison of theoretical predictions for macroscopic variables with the simulation results, as well as on the definition and measurement of the shock formation time, all of which are of great importance for future experiments.Finally, we proposed a scheme to produce, in the laboratory, the ion-Weibel-instability with the use of an ultra-high-intensity laser. The produced flows are faster and denser than in current experiments, leading to a larger growth rate and stronger magnetic fields. These results are important for the LPI at very high intensity

Les chocs sans collision sont omniprésents dans l'Univers, notamment dans les restes de supernova, et sont formés via diverses instabilités plasmas dépendant essentiellement de la vitesse et de la magnétisation des flux de plasmas. La description de tels chocs nécessite une approche cinétique, tant analytique que numérique.Dans cette thèse, nous avons étudié, au travers de simulations Particle-In-Cell (PIC), les processus sous-jacents par lesquels les instabilités rentrent en compétition les unes avec les autres. Nous avons montré que la diminution du rapport des masses entre ions et électrons, souvent utilisée en simulations numériques pour accélérer la dynamique des chocs, peut avoir de fortes conséquences sur le transfert d'énergie entre particules durant la phase non-linéaire des instabilités.Ces dernières, comme l'instabilité acoustique ionique (IAI) amènent sous certaines conditions à la formation de chocs électrostatiques, pouvant donner naissance à la formation de trous dans l'espace des phases, se propageant dans la région aval du choc, et accélérant ce dernier. L'ajout d'un champ magnétique externe conduit à un changement de médiation du choc, pouvant varier entre l'IAI et les ondes magnéto-soniques lente ou rapide en fonction de l'obliquité entre le champ magnétique et la normale au choc. De plus, nous avons montré que l'orientation du champ magnétique permet de choisir entre une dispersion convexe ou concave des ondes plasma conduisant à la création d'ondes précurseurs dans les régions amont ou aval du choc.Ces chocs magnétisés se trouvent être correctement représentés par le modèle magnétohydrodynamique (MHD) tant qu'ils restent laminaire et que leur potentiel dans la région aval n'est pas suffisamment grand pour réfléchir les particules du milieu amont.Nous avons montré que même pour des chocs sous critiques, une fraction d'ions réfléchis, ne pouvant pas être représentés par la MHD, est suffisante à la croissance d'ondes solitaires en amont du choc, conduisant à l’accélération de ce dernier, mais pas à un processus d'auto-reformation comme pour les chocs super critiques.Bien que les échelles spatio-temporelles soient très différentes, les lois d'échelle rendent possible l'étude de tels phénomènes en laboratoire. Nos études numériques ont été faites dans un cadre de type tube à choc pouvant être testé expérimentalement.A ce titre, nous proposons dans cette thèse une expérience sur la création d'îlots magnétiques, formés par l’interaction de plasmas générés par l'irradiation de cibles par laser baignant dans un champ magnétique externe, et conduisant à la formation de tels chocs.Enfin, nous avons démontré expérimentalement et numériquement la formation de chocs électromagnétiques sans collisions par le biais de l'instabilité de Weibel stimulée par l'instabilité de batterie Biermann, conduisant à l'accélération de particules par le mécanisme de Fermi. Ce nouveau type d'expérience pourrait expliquer l'origine du rayonnement cosmique provenant des restes de supernova
Collisionless shocks are ubiquitous in the Universe, especially in the supernova remnants, and are formed via various plasma instabilities mainly depending on the speed and magnetization of plasma flows. The description of such shocks requires a kinetic approach, both analytical and numerical.In this thesis, we have studied, through Particle-In-Cell (PIC) simulations, the underlying processes by which instabilities compete with each other.We have shown that the reduction of the ion-to-electron mass ratio, often used in numerical simulations to accelerate the dynamics of shocks, can have strong consequences on the energy transfer between particles during the non-linear phase of instabilities.These instabilities, like the ionic acoustic instability (IAI) lead under certain conditions to the formation of electrostatic shocks, which can give rise to phase space holes formation, propagating in the downstream shock region, and accelerating the shock.The addition of an external magnetic field leads to different shock mediation, which can vary between the IAI to the slow or fast magneto-sonic waves as a function of the obliquity between the magnetic field and the shock normal.Furthermore, we have shown that the orientation of the magnetic field makes it possible to choose between a convex or concave dispersion of the plasma waves leading to the creation of precursor waves in the upstream or downstream shock regions.These magnetized shocks are correctly represented by the magnetohydrodynamic (MHD) model as long as they remain laminar and their potential in the downstream region is not large enough to reflect the particles of the upstream medium.We have shown that even for sub-critical shocks, a fraction of reflected ions, which cannot be modeled by the MHD, is sufficient for the growth of solitary waves upstream of the shock, leading to the acceleration of the latter, but not to a process of 'self-reformation' as for super-critical shocks.Although spatio-temporal scales are very different, scaling laws make possible the study of such phenomena in the laboratory. Our numerical studies have been done in the context of shock tubes that can be experimentally tested.As such, we propose in this thesis an experiment on the creation of magnetic islands, formed by the interaction of plasmas generated by the irradiation of laser targets bathed in an external magnetic field, leading to the formation of such shocks.Finally, we experimentally and numerically demonstrated the formation of collisionless electromagnetic shocks through the Weibel instability stimulated by theBiermann Battery instability, and leading to particle acceleration by the Fermi mechanism.This new type of experiment could explain the origin of cosmic radiation from supernova remnants

Un modele de representation hybride, adoptant une description cinetique des ions et hydrodynamique des electrons est mis en place pour simuler le probleme unidimensionnel d'un choc non collisionnel en physique des plasmas. Les modeles hybrides standards tiennent compte de certaines hypotheses simplificatrices (masse electronique nulle, quasi-neutralite, approximation de darwin) qui reduisent le systeme d'equations initial et facilitent ainsi l'analyse numerique du probleme. Afin d'elargir le domaine d'application du modele, nous levons ces hypotheses et considerons le systeme d'equations complet. La difficulte majeure de cette etude tient dans le choix d'une methode de resolution qui soit a la fois stable et performante. La methode implicite mise en uvre et appelee methodes des moments implicites, permet de s'affranchir a moindre cout des problemes de stabilite rencontres lors du couplage des equations d'euler, vlasov et maxwell. Cette methode originale evite, en effet, la lourdeur des schemas implicites classiques tout en permettant l'acces a des temps de calcul raisonnables

Cette thèse est consacrée à l'étude des processus d'ondes au voisinage des chocs dans les plasmas spatiaux. La propagation des ondes de Langmuir dans un plasma présentant des inhomogénéités aléatoires de densité a été modélisée numériquement; les résultats obtenus ont été comparés aux données des instruments WHISPER et WBD à bord des satellites CLUSTER. Les résultats de modélisation et l'étude statistique portant sur l'intensité des ondes de Langmuir observées dans le préchoc terrestre et le vent solaire ont montré que le théorème central limite n'est pas applicable aux statistiques sur l'intensité, du fait du nombre insuffisant d'inhomogénéités. Il en résulte que la fonction de distribution de probabilité pour le logarithme des énergies d'ondes n'atteint pas la distribution normale. D'autre part la détection à distance de la zone quasi-perpendiculaire du front de choc terrestre a pu être effectuée en analysant la modulation des ondes de Langmuir et celle des ondes électrostatiques avec fréquence décalée à proximité de la limite du pré-choc. Il a été montré que la probabilité d'observation de la non-stationnarité du front de choc augmente avec le nombre de Mach du choc. Enfin le rayonnement de transition des électrons relativistes au front de choc quasi-perpendiculaire a été calculé pour expliquer le mécanisme de l'émission électromagnétique observée par les satellites près du front de choc interplanétaire le 22 janvier 2004. Les paramètres du calcul correspondent aux véritables paramètres de l'évènement. Le spectre du rayonnement de transition établi théoriquement a son maximum dans le même domaine de fréquence que pour les mesures.

Les resultats de simulations d'un choc non collisionnel supercritique en propagation quasi-parallele par rapport a un champ magnetostatique sont presentes. Un code particulaire bidimensionnel, avec des ions et des electrons se deplacant dans un champ electromagnetique autoconsistant, est utilise. Il est montre, par exemple, que la croissance d'ondes de sifflement en amont de la transition principale du choc est une des raisons de la non-stationnarite des chocs quasi-paralleles

L'objectif de cette thèse est l'étude de la reconnexion magnétique dans les plasmas non-collisionels et relativistes. De tels plasmas sont présents dans divers objets astrophysiques (MQs, AGNs, GRBs...), où la reconnexion pourrait expliquer la production de particules et de radiation de haute énergie, un chauffage, ou des jets. Une compréhension fondamentale de la reconnexion n'est cependant toujours pas acquise, en particulier dans les plasmas relativistes ion-électron. Nous présentons d'abord les bases de la reconnexion magnétique. Nous démontrons des résultats particuliers à la physique des plasmas relativistes, concernant par exemple la distribution de Maxwell-Jüttner. Ensuite, nous réalisons une étude détaillée de l'outil numérique utilisé : les simulations particle-in-cell (PIC). Le fait que le plasma réel contienne beaucoup plus de particules que le plasma PIC a des conséquences importantes (collisionalité, relaxation, bruit) que nous décrivons. Enfin, nous étudions la reconnexion magnétique dans les plasmas ion-électron et relativistes à l'aide de simulations PIC. Nous soulignons des points spécifiques : loi d'Ohm (l'inertie de bulk dominante), zone de diffusion, taux de reconnexion (et sa normalisation relativiste). Les ions et les électrons produisent des lois de puissance, avec un index qui dépend de la vitesse d'Alfvén et de la magnétisation, et qui peut être plus dur que dans le cas des chocs non-collisionels. De plus, les ions peuvent avoir plus ou moins d'énergie que les électrons selon la valeur du champ guide. Ces résultats fournissent une base solide à des modèles d'objets astrophysiques qui, jusque là, supposaient a priori ces résultats
The purpose of this thesis is to study magnetic reconnection in collisionless and relativistic plasmas. Such plasmas can be encountered in various astrophysical objects (microquasars, AGNs, GRBs...), where reconnection could explain high-energy particle and photon production, plasma heating, or transient large-scale outflows. However, a first principle understanding of reconnection is still lacking, especially in relativistic ion-electron plasmas. We first present the basis of reconnection physics. We derive results relevant to relativistic plasma physics, including properties of the Maxwell-Jüttner distribution. Then, we provide a detailed study of our numerical tool, particle-in-cell simulations (PIC). The fact that the real plasma contains far less particles than the PIC plasma has important consequences concerning relaxation times or noise, that we describe. Finally, we study relativistic reconnection in ion-electron plasmas with PIC simulations. We stress outstanding properties: Ohm's law (dominated by bulk inertia), structure of the diffusion zone, energy content of the outflows (thermally dominated), reconnection rate (and its relativistic normalization). Ions and electrons produce power law distributions, with indexes that depend on the inflow Alfvén speed and on the magnetization of the corresponding species. They can be harder than those produced by collisionless shocks. Also, ions can get more or less energy than the electrons, depending on the guide field strength. These results provide a solid ground for astrophysical models that, up to now, assumed with no prior justification the existence of such distributions or of such ion/electron energy repartition

Cette etude theorique des proprietes atomiques des plasmas concerne les plasmas non-maxwelliens dont la fonction de distribution des electrons est de la forme exp-(v/v#m)#m avec m superieur a 2; ils correspondent par exemple a la couronne d'un plasma de laser chauffe par bremsstrahlung inverse. Nous avons confirme que les taux collisionnels sans seuil (tels que la recombinaison radiative directe et la desexcitation) sont a peine affectes par le caractere non-maxwellien alors que les taux collisionnels a seuil (tels que l'excitation et l'ionisation) sont tres reduits a basses temperatures (kt#e inferieur au tiers de l'energie du seuil). Nous avons etudie en detail les taux et probabilites de transition radiative des processus atomiques dominants qui sont mis en jeu dans un plasma d'hydrogene. Nous avons ensuite determine les populations de l'etat fondamental et des etats excites par un modele collisionnel radiatif dans l'approximation quasi-stationnaire. A basses temperatures, les etats excites sont relativement moins peuples que dans le cas maxwellien, et l'ionisation indirecte (par l'intermediaire des etats excites) y joue un role encore plus essentiel que dans les plasmas maxwelliens

Les gyromètres laser He-Ne sont des senseurs inertiels dont la fiabilité et la précision sont reconnues depuis le milieu des années 1980. Leur grande sensibilité leur permet de mesurer des vitesses de rotation avec une précision qui atteint 10⁻³ °/ h dans le domaine aéronautique. Cependant, du fait d’un fonctionnement complexe basé sur une physique riche et variée, ses performances sont fortement dépendantes des conditions de fonctionnement et de toute modification du processus de fabrication. Dans ce cas, un travail de modélisation prend tout son sens, puisqu’il permet, outre une compréhension claire et précise des différents phénomènes physiques, un accès à des études paramétriques non envisageables expérimentalement. La modélisation globale du fonctionnement d’un gyrolaser He-Ne a ainsi été l’objectif principal de la collaboration entre la société Sagem (groupe Safran), un des leaders mondiaux dans le domaine des senseurs inertiels, et le Laboratoire de Physique des Gaz et des Plasmas (LPGP). Cette modélisation est « multiphysique » du fait de la diversité des domaines que couvre la physique du gyrolaser (Plasma, Physique Atomique, Lasers). C’est pourquoi nous avons développé trois modèles spécifiquement adaptés à chaque domaine. Le premier décrit la modélisation de la colonne positive du plasma de décharge dans une approche fluide. Ce modèle permet une description quantitative du plasma et l’accès aux grandeurs telles que la densité électronique et la fonction de distribution en énergie des électrons. Ces grandeurs sont les entrées nécessaires au second modèle qui traite la cinétique des états excités du plasma He-Ne. Un modèle collisionnel-radiatif à 1 dimension radiale (1D-CRM) a ainsi été développé. L’aspect 1D se justifie par l’importance des phénomènes de transport d’atomes et de rayonnement pouvant influer sur le profil radial de l’inversion de population du laser. Le transfert radiatif par auto-absorption des transitions radiatives résonantes a notamment été modélisé en résolvant l’équation de Holstein-Biberman à partir d’une méthode Monte-Carlo. Cet aspect constitue un élément majeur de ce travail de thèse. La diffusion des atomes excités du mélange He-Ne a également été prise en compte en résolvant l’équation de diffusion avec différentes conditions au bord à la surface du capillaire.A partir des populations et des taux cinétiques de peuplement et dépeuplement calculés par 1D-CRM, l’amplification laser dans la cavité a été modélisée dans le cadre d’une approche Maxwell-Bloch à 2 niveaux (NADIA) en incluant la saturation inhomogène du gain c’est-à-dire en tenant compte de la vitesse des atomes émetteurs dans la direction de propagation des faisceaux lasers. La cinétique de NADIA a été optimisée et les processus de transports dans l’espace des phases ont également été implémentés. Ce modèle a été utilisé pour étudier les performances du gyrolaser liées au milieu amplificateur et pour dériver les paramètres physiques nécessaires au développement d’un simulateur du gyrolaser.Dans ce simulateur, un modèle physique simplifié dérivé de NADIA, a été couplé à des modules « systèmes » dans le but de reproduire en sortie le signal opérationnel d’un gyrolaser. Ceci nous a permis de réaliser des études paramétriques sur les grandeurs caractérisant les performances d’un gyrolaser notamment le biais dynamique et le Random-Walk. Nous montrons en particulier que les performances de notre simulateur sont en bon accord avec celles observées en conditions opérationnelles. De plus, nos résultats montrent que ce simulateur est également un outil puissant pour l’analyse de données expérimentales
Ring laser gyros (RLG) are inertial sensors whose reliability and accuracy have been recognised since the mid-1980s. Their high sensitivity enables them to measure angular velocity with an accuracy of 10⁻³ °/ h in aeronautics. However, because of a complex functioning based on a rich and varied physics, their performances are highly dependent on the working conditions and on any modification in the manufacturing process. In this case, a numerical modelling is pertinent since it allows both a clear understanding of the ring laser physics and parametric studies which are not experimentally feasible. The global modelling of a He-Ne RLG has been the main objective of the collaboration between Sagem (Safran group), which is one of the world leader in the inertial sensors field, and the Gas and Plasma Physics Laboratory (LPGP).This modelling is “multi-physics” since RLG physics involves several disciplines (plasma, atomic and laser physics). Therefore we have developed three models specifically adapted to each field. The first one describes the modelling of the positive column of the glow discharge following a fluid approach. This model allows a quantitative description of the plasma and gives access to fundamental quantities like the electron density or the electron energy distribution function. These quantities are the required inputs for the second model which treats the kinetics of the excited states inside the He-Ne plasma. For this, a collisional-radiative model in a radial geometry (1D-CRM) has been developed. The radial geometry is justified by the importance of the transport processes of atoms and radiations which can influence the radial profile of the population inversion. Notably, the radiative transfer by self-absorption of the resonant radiative transitions has been modelled by solving the Holstein-Biberman equation by a Monte-Carlo method. This aspect is a major component of this PhD work. Diffusion of excited atoms inside the plasma has also been taken into account by solving the diffusion equation with different boundary conditions at the capillary surface. From the populations and the kinetic rates computed by 1D-CRM, the laser amplification inside the cavity has been modelled using a two-level Maxwell-Bloch approach (NADIA) taking into account the inhomogeneous gain saturation, which means to consider the thermal speed of the atoms in the direction of propagation of the laser beams. The kinetics of NADIA has been optimized and transport processes in the phase space have also been implemented. This model has been used to study the performances of the RLG linked to the amplifying medium and to derive the physical parameters needed for the development of a simulator.Concerning this simulator, a simplified physical model from NADIA has been coupled to system modules in order to reproduce the operating signal of a RLG. This allows to conduct parametric studies on the quantities defining the RLG performance in particular the dynamic bias and the so-called “Random Walk”. We showed notably that the results of our simulator are in good agreement with experimental measurements in operating conditions. Moreover, our results show that this simulator is a powerful tool for analysing experimental data

La capacité à libérer l'énergie stockée dans le champ magnétique et à briser le théorème du gel font de la reconnexion magnétique un des phénomènes les plus importants de la physique des plasmas. Lorsqu'elle se produit dans un environnement non-collisionel comme la magnétosphère terrestre, une modélisation cinétique est à priori nécessaire. Cependant la plupart de notre compréhension du phénomène se base sur un interprétation fluide, plus intuitive. Dans quelle mesure ces deux interprétations d'un même phénomène sont-elles reliées ? C'est la problématique à laquelle cette thèse s'intéresse, dans le cas de la reconnexion antiparallèle et pour la population ionique du plasma. La première partie de ce travail s'intéresse à l'accélération fluide et cinétique des protons au sein de la région de reconnexion. Il est montré comment le mouvement individuel des particules joue un rôle du point de vue fluide via la force de pression, jusqu'alors négligée dans les modèles. Ces résultats ont également mené dans une seconde partie à des prédictions et vérifications observationnelles basées sur les données des satellites Cluster. Dans un troisième temps, nous montrons le rôle important joué par le flux d'énergie thermique dans le transfert d'énergie au cours du processus de reconnexion, dans le cas symétrique et asymétrique. Enfin la dernière partie de ce manuscrit propose une solution au problème fondamental consistant décrire une couche de courant tangentielle asymétrique dans un état d'équilibre cinétique

Neste trabalho um modelo é apresentado que permite-nos prever quantitativamente o estado estacionário atingido por um plasma não-neutro durante um processo de relaxação nãocolisional. Como uma aplicação específica, a teoria é usada para estudar a relaxação de feixes de partículas carregadas na qual, mostra-se que, um feixe inicialmente casado relaxa para a distribuição de Lynden-Bell. No entanto, quando existe um descasamento inicial, o mesmo oscila e ressonâncias paramétricas conduzem-no a uma separação de fases: caroço e halo. A abordagem desenvolvida vale tanto para a densidade como para a distribuição de velocidade no estado final estacionário.
In this work a theoretical framework is presented which allows us to quantitatively predict the final stationary state achieved by a non-neutral plasma during a process of collisionless relaxation. As a specific application, the theory is used to study relaxation of charged-particle beams. It is shown that a fully matched beam relaxes to the Lynden-Bell distribution. However, when a mismatch is present and the beam oscillates, parametric resonances lead to a corehalo phase separation. The approach developed accounts for both the density and the velocity distributions in the final stationary state.

Le vent solaire est un plasma peu dense et relativement chaud. Dans un tel milieu l'effet des collisions Coulombiennes est assez limité et l’on peut s’attendre à ce que les fonctions de distribution des vitesses (FDV) des particules présentent des déviations fortes par rapport à l’équilibre thermodynamique et c’est effectivement ce que l’on observe. En effet, les FDV des électrons du vent solaire présentent de manière permanente trois composantes différentes: un coeur thermique et un halo suprathermique, qui sont toujours isotropes, et un "strahl" aligné le long du champ magnétique dans la direction antisolaire. Nous avons effectué une étude statistique d'un grand nombre FDV électroniques observées dans l'écliptique entre 0. 3 à 4 UA. Pour cette étude, un nouveau modèle a été proposé qui décrit, pour la première fois de manière analytique, les trois populations des FDV observées. Les caractéristiques principales de ces distributions, c'est-à-dire la densité, la température et le flux de chaleur sont examinées en fonction de la distance héliocentrique. Par ailleurs, nous avons étudié les contraintes imposées par les collisions Coulombiennes et les interactions onde-particule sur, d’une part, l'anisotropie de température des électrons du cœur des FDV et, d’autre part, le flux de chaleur. Nous montrons que les collisions Coulombiennes et les instabilités d’ondes et constituent des mécanismes de contrôle efficaces des propriétés globales des FDV électroniques.

Ce travail est consacre a l'etude theorique de la cinetique electronique dans les plasmas froids non thermiques incluant les interactions coulombiennes et a son application aux milieux d'excitation des lasers a excimeres dans le cas des melanges ne-xe-hcl. Pour se faire nous avons d'abord etabli, dans le cas de la theorie du regime hydrodynamique, les equations cinetiques de boltzmann permettant le calcul des coefficients de reaction et de transport scalaire, vectoriel et tensoriel en tenant compte des principaux processus collisionnels specifiques a ces milieux d'excitation des lasers et pouvant influencer les fonctions de distribution des electrons (electron-atome elastique, inelastique et superelastique, ionisation penning, interactions coulombiennes, recombinaison, processus vibrationnels, etc. ). A partir de ce code nous avons montre la validite de notre methode deux termes en la comparant a la methode multi-termes dans le cas de notre application et nous avons montre pour la premiere fois dans la litterature, l'influence significative des processus coulombiens sur les coefficients de diffusion transverse et longitudinale. Puis, nous avons notamment en fonction du champ e/n et du degre d'ionisation determine et analyse les donnees de base electroniques (sections efficaces et coefficients de reaction) dans les differents gaz (ne, xe et hcl) composant le melange excimere etudie. Par la suite, a l'aide d'un modele hybride correspondant au couplage equation de boltzmann- equation du circuit electrique- equation d'evolution des principales especes incluant la cinetique des vibrationnels, nous avons etudie les caracteristiques electrique et cinetique dans les melanges ne-xe-hcl des lasers a excimeres. Nous avons notamment discute et analyse l'influence d'un certain nombre de parametres (element du circuit electrique, reactions considerees, precision des donnees de base, etc. . . ) sur les voies cinetiques (metastable et ionique) de formation de la molecule excimere xecl#*

La fonction de corrélation permet de caractériser l'extension spatio-temporelle de la source de particules émises lors de collisions d'ions lourds ultra-relativistes. L'expérience STAR est dédiée à l'étude de la formation d'un nouvel état de la matière appelé Plasma de Quarks et de Gluons. La fonction de corrélation proton - lambda est supposée être plus sensible à de plus grandes tailles de source que le système proton-proton, grâce à l'absence de l'interaction Coulombienne. Dans le cadre de cette thèse, les fonctions de corrélation proton - lambda, anti-proton - anti-lambda, anti-proton - lambda et proton - anti-lambda mesurées dans les collisions Au+Au à= 200 GeV sont étudiées en utilisant un modèle analytique. On montre que les comportements des systèmes proton - lambda et anti-proton - anti-lambda sont en accord avec les mesures antérieures. Les fonctions de corrélation anti-proton - lambda et proton - anti-lambda, mesurées pour la première fois, montrent un fort signal correspondant à l'annihilation baryon–anti-baryon. La paramétrisation des fonctions de corrélation a permis la caractérisation des interactions dans l'état final.

La radiographie éclair par faisceau X intense est spécifique en ce sens qu'elle doit permettre de photographier la matière soumise à des conditions extrêmes de densification, de température et de vitesse de déplacement. Le succès de ce type de radiographie repose sur la qualité de la source X qui doit nécessairement être pénétrante (quelques MeV), intense (plusieurs rads), brève (quelques dizaines de ns) et de petite dimension (quelques mm). L'impulsion X est ainsi générée à partir du rayonnement de freinage émis lors de l'interaction avec une cible en métal d'un faisceau focalisé d'électrons de haute énergie (MeV) et de haute intensité (kA). Ce procédé lie très fortement les propriétés du faisceau d'électrons à ceux du faisceau X et donc à la qualité de la radiographie. Dans ce contexte, la thèse porte sur la compréhension de la dynamique du faisceau dans la diode à l'électron (c'est-à-dire juste avant son entrée dans la ligne accélératrice) ainsi que sur la caractérisation du plasma de velours dont sont issus les électrons qui composent le faisceau. Dans un premier temps, la dynamique du faisceau intense d'électrons a été étudiée à l'aide du code LSP reposant sur la méthode " Particle-In-Cell ". Les simulations réalisées ont été comparées avec des mesures effectuées sur l'injecteur d'un accélérateur linéaire à induction, implanté au CEA Valduc sur l'installation Epure. Grâce au modèle de simulation développé, une nouvelle diode à électrons mono-impulsion a été conçue, dimensionnée et réalisée pendant ce travail de thèse afin d'augmenter l'intensité du faisceau d'électrons de 2,0 kA à 2,6 kA permettant ainsi d'améliorer les performances radiographiques de l'installation. Dans un second temps, un modèle permettant d'étudier les mécanismes mis en jeu dans la production du faisceau d'électrons au niveau de plasma de cathode a été développé. Ce dernier est un modèle collisionnel-radiatif (MCR) 0D qui permet de décrire l'évolution de la densité des espèces d'un plasma dont la composition est directement liée aux molécules et atomes désorbés par la cathode de velours. Trois différents mélanges ont été étudiés impliquant de l'hydrogène, de l'oxygène et du carbone dont les proportions ont été estimées par des mesures LIBS (spectroscopie de plasma induit par laser).[...]
Intense X-ray flash radiography is used to take a stop-action picture of a material under extreme conditions like high densification, high temperature and high movement speed. The success of this kind of radiography is based on the quality of the X-ray source which must necessarily be penetrating (some MeV), intense (several rads), short (a few tens of ns) and small (a few mm). The X-ray pulse is generated from the bremsstrahlung radiation emitted during the interaction with a metal target of a focused electron beam of high energy (MeV) and high intensity (kA). This process strongly links the properties of the electron beam to those of the X-ray beam and thus to the quality of the radiography picture. In this context, the thesis is about the electron beam dynamics in the electron diode (i.e. just before electrons move towards the accelerator) as well as about the characterization of the velvet plasma from which electrons are extracted to form the beam. Firstly, the dynamics of the intense electron beam was studied using the LSP code based on the "Particle-In-Cell" method. The simulations were compared to measurements made on the injector of a linear induction accelerator, at the CEA Valduc center on the Epure facility. Based on the developed simulation model, a new single-pulse electron diode was designed, sized and realized during this thesis to increase the intensity of the electron beam from 2.0 kA to 2.6 kA, thus improving the radiographic performances of the facility. In a second step, a model allowing to study the mechanisms involved in the production of the electron beam from the cathode plasma was developed. This latter is a collisional-radiative model (CRM) 0D describing the evolution of the plasma species density of a plasma whose composition is directly related to the molecules and atoms desorbed by the velvet cathode. [...]

Here I study the “plasma interactions with icy bodies in the solar system”, that is, my quest to understand the fundamental processes that govern such interactions. By using numerical modelling combined with in situ observations, one can infer the internal structure of icy bodies and their plasma environments. After a broad overview of the laws governing space plasmas a more detailed part follows. This contains the method on how to model the interaction between space plasmas and icy bodies. Numerical modelling of space plasmas is applied to the icy bodies Callisto (a satellite of Jupiter), the dwarf planet Ceres (located in the asteroid main belt) and the comet 67P/Churyumov-Gerasimenko. The time-varying magnetic field of Jupiter induces currents inside the electrically conducting moon Callisto. These create magnetic field perturbations thought to be related to conducting subsurface oceans. The flow of plasma in the vicinity of Callisto is greatly affected by these magnetic field perturbations. By using a hybrid plasma solver, the interaction has been modelled when including magnetic induction and agrees well with magnetometer data from flybys (C3 and C9) made by the Galileo spacecraft. The magnetic field configuration allows an inflow of ions onto Callisto’s surface in the central wake. Plasma that hits the surface knocks away matter (sputtering) and creates Callisto’s tenuous atmosphere. A long term study of solar wind protons as seen by the Rosetta spacecraft was conducted as the comet 67P/Churyumov-Gerasimenko approached the Sun. Here, extreme ultraviolet radiation from the Sun ionizes the neutral water of the comet’s coma. Newly produced water ions get picked up by the solar wind flow, and forces the solar wind protons to deflect due to conservation of momentum. This effect of mass-loading increases steadily as the comet draws closer to the Sun. The solar wind is deflected, but does not lose much energy. Hybrid modelling of the solar wind interaction with the coma agrees with the observations; the force acting to deflect the bulk of the solar wind plasma is greater than the force acting to slow it down. Ceres can have high outgassing of water vapour, according to observations by the Herschel Space Observatory in 2012 and 2013. There, two regions were identified as sources of water vapour. As Ceres rotates, so will the source regions. The plasma interaction close to Ceres depends greatly on the source location of water vapour, whereas far from Ceres it does not. On a global scale, Ceres has a comet-like interaction with the solar wind, where the solar wind is perturbed far downstream of Ceres.
Här studerar jag “plasmaväxelverkan med isiga kroppar i solsystemet”, det vill säga, min strävan är att förstå de grundläggande processerna som styr sådana interaktioner. Genom att använda numerisk modellering i kombination med observationer på plats vid himlakropparna kan man förstå sig på deras interna strukturer och rymdmiljöer. Efter en bred översikt över de fysiska lagar som styr ett rymdplasma följer en mer detaljerad del. Denna innehåller metoder för hur man kan modellera växelverkan mellan rymdplasma och isiga kroppar. Numerisk modellering av rymdplasma appliceras på de isiga himlakropparna Callisto (en måne kring Jupiter), dvärgplaneten Ceres (lokaliserad i asteroidbältet mellan Mars och Jupiter) och kometen 67P/Churyumov-Gerasimenko. Det tidsvarierande magnetiska fältet kring Jupiter inducerar strömmar inuti den elektriskt ledande månen Callisto. Dessa strömmar skapar magnetfältsstörningar som tros vara relaterade till ett elektriskt ledande hav under Callistos yta. Plasmaflödet i närheten av Callisto påverkas i hög grad av dessa magnetfältsstörningar. Genom att använda en hybrid-plasma-lösare har växelverkan modellerats, där effekten av magnetisk induktion har inkluderats. Resultaten stämmer väl överens med magnetfältsdata från förbiflygningarna av Callisto (C3 och C9) som gjordes av den obemannade rymdfarkosten Galileo i dess bana kring Jupiter. Den magnetiska konfigurationen som uppstår möjliggör ett inflöde av laddade joner på Callistos baksida. Plasma som träffar ytan slår bort materia och skapar Callistos tunna atmosfär. En långtidsstudie av solvindsprotoner sett från rymdfarkosten Rosetta utfördes då kometen 67P/Churyumov-Gerasimenko närmade sig solen. Ultraviolett strålning från solen joniserar det neutrala vattnet i kometens koma (kometens atmosfär). Nyligt joniserade vattenmolekyler plockas upp av solvindsflödet och tvingar solvindsprotonernas banor att böjas av, så att rörelsemängden bevaras. Denna effekt ökar stadigt då kometen närmar sig solen. Solvinden böjs av kraftigt, men förlorar inte mycket energi. Hybridmodellering av solvindens växelverkan bekräftar att kraften som verkar på solvinden till störst del får den att böjas av, medan kraften som verkar till att sänka dess fart är mycket lägre. Ceres har enligt observationer av rymdteleskopet Herschel under 2012 och 2013 haft högt utflöde av vattenånga från dess yta. Där har två regioner identifierats som källor för vattenångan. Eftersom Ceres roterar kommer källornas regioner göra det också. Plasmaväxelverkan i närheten av Ceres beror i hög grad på vattenångskällans placeringen, medan det inte gör det långt ifrån Ceres. På global nivå har Ceres en kometliknande växelverkan med solvinden, där störningar i solvinden propagerar långt nedströms från Ceres.

In this work, we study the entropy production of relativistic quantum fluids at local thermodynamic equilibrium. In particular, we put forward a general method to calculate the entropy current in the framework of relativistic quantum statistical mechanics. We then apply our method to the study of two different systems, both of phenomenological concern in the context of heavy-ion collisions. The first system is a relativistic quantum fluid at global thermodynamic equilibrium with acceleration, whereas the second one is a relativistic quantum fluid with boost invariance. We calculate the thermal expectation value of the energy-momentum tensor, discuss renormalisation and work out the entropy current.