Thèse Modélisation Cinétique Haute Résolution de la Magnétosphère de Mercure H/F - 75

Établissement : Institut Polytechnique de Paris École polytechnique
École doctorale : Ecole Doctorale de l'Institut Polytechnique de Paris
Laboratoire de recherche : Laboratoire de Physique des Plasmas
Direction de la thèse : Nicolas AUNAI ORCID 0000000298624318
Début de la thèse : 2026-10-01
Date limite de candidature : 2026-08-31T23:59:59La mission Bepi-Colombo nous donnera bientôt des données régulière mesurées in situ dans la magnétosphère de Mercure et son environnement proche. Ces données nous offriront un regard nouveau et unique ce système. Néanmoins, ce point de vue sera limité par la nature intrinsèquement locale de la mesure in situ, et la bonne interprétation des données nécessitera un appui fort des modèles numériques. Ceux-ci doivent impérativement traiter les ions de manière cinétique en raison de la relativement petite taille du système et l'importance relative des différentes espèces d'ions. Les modèles hybrides Particle-In-Cell utilisés par la communauté aujourd'hui permettent d'étudier la dynamique globale de la magnétosphère. Résoudre correctement les processus plasmas tels que la reconnexion, dont les mécanismes s'établissent en deçà de l'échelle d'inertie des proton, reste cependant à ce jour inaccessible. En l'état, cela limitera nos capacité à comprendre les données mesurées par Bepi-Colombo.

Le projet PHARE (https://github.com/PHAREHUB/PHARE), actuellement développé depuis quelques années au LPP, vise à construire un nouveau type de modèle numérique pour les plasmas spatiaux afin d'apporter la haute résolution spatio-temporelle nécessaire au traitement de ces processus tout en ayant la capacité d'étendre le domaine et le temps de simulations sur de grandes échelles. L'innovation derrière ces objectifs tient, en premier lieu, en la résolution des équations sur une hiérarchie de grilles incrémentalement plus résolues en temps et en espace et dont la structure s'adapte aux besoins de la solution. En second lieu, l'architecture du code est conçue de manière à ce que le formalisme physique varie entre fluide et cinétique, selon le niveau de raffinement dans la hiérarchie.

Le code est développé de manière open-source en C++ et python, pour la communauté. Il est massivement parallèle en MPI pour l'instant. L'équipe de développement est actuellement et jusque fin 2027 constituée de deux chercheurs permanents, principalement concentrés sur le solveur Hybride PIC actuellement 3D et AMR. Un ingénieur HPC plein temps est responsable de l'optimisation du code (MPI+multi-threading+GPU). Un étudiant actuellement débutant sa seconde année de thèse et travaillant sur le solveur fluide et son couplage avec le solveur hybride et valide actuellement le moteur Hall MHD AMR 3D (algorithme de Godunov, solveur de Riemann HLL/Rusanov, transport contraint UCT-HLL, reconstructions linéaires, Weno (3,Z), intégrateurs temporels RK 2,3,4) sur les calculateurs nationaux. Dans les prochaines semaines, l'équipe comptera un chercheur postdoctorant pour 2 ans responsable du modèle terrestre via l'implémentation des conditions limites planétaires (dipole+ionosphère) et vent solaire vont être ajoutées dans les mois qui suivent. L'équipe travaille également au couplage entre les modèles MHD et Hybrides-PIC.

L'objectif de cette proposition est d'étoffer l'équipe pour élargir l'utilisation du code de l'environnement Terrestre pour lequel l'équipe actuelle travaille, à celui de Mercure, dans le contexte de l'arrivée de Bepi-Colombo. La thèse proposée ici, qui débutera en octobre 2026, consistera à modifier le code de sorte à permettre l'évolution l'environnement de Mercure, pour lequel la magnétosphère serait globalement décrite par le modèle hybride à maille adaptative, dans un contexte 3D complexe de vent solaire décrit quant à lui de manière fluide. Le travail se décomposera en 3 parties. La première consistera à adapter le modèle de dipole et de conditions limites planétaires de la Terre à Mercure. Cette partie devrait être rapide étant donné le travail de quasiment un an fait en amont par le postdoc concentré sur le modèle terrestre. La seconde partie consistera à implémenter un modèle de vent solaire dans la partie fluide. La troisième consistera à coupler les deux.

Cette thèse se place dans le contexte de l'arrivée de Bepi-Colombo à Mercure et de l'exploitation des premières données.

adaptation du code PHARE à la magnétosphère de mercure
simulation de la magnétosphère de mercure et comparaison aux donnés de bepi-colombo

Développement C++ et python dans un code de simulation plasma massivement parallèle