Thèse Année : 2024

Self-consistent modeling of relativistic runaway electron avalanches producing terrestrial gamma ray flashes

Modélisation auto-consistente d'avalanches d'électrons runaway relativistes produisant des flashs gamma terrestres

Résumé

Terrestrial gamma ray flashes (TGFs) are short and intense bursts of gamma rays occurring during thunderstorms. Reported for the first time in 1994, a significant effort has been carried out to understand their properties and origins. It is agreed upon that TGFs are produced inside thunderclouds by relativistic runaway electron avalanches (RREAs): when submitted to a sufficiently high electric field, an electron can gain more energy from the field than it loses to collisions with air molecules, thus becoming runaway. Doing so, it ionizes the air, freeing more electrons, a small fraction of these electrons being themselves runaway, hence forming an avalanche of runaway electrons. The exact context in which RREAs are initiated inside thunderclouds remains up for debate. Two TGF-production theories are considered nowadays. The relativistic feedback mechanism relies on the backward propagation of photons and positrons created by a first RREA, to produce new avalanches near the starting location of the first RREA, allowing for an overall sufficient number of electrons and photons. The thermal runaway mechanism assumes that RREAs are created during lightning propagation: the strong electric field inside a streamer corona at the tip of leader could accelerate a high number of electrons injected from the leader, triggering the production of subsequent RREAs leading to a TGF. In this thesis, we formulate two outstanding research questions that we address in the chapters. How the dynamics of RREAs is affected by self-consistent effects ? What is the importance of combined spatial and temporal aspects in the initiation of relativistic feedback? To address these questions, we have developed a new self-consistent relativistic model, using a Monte Carlo technique to simulate collisions with air molecules coupled with an electromagnetic particle-in-cell method, that solves the Maxwell-Ampere and Maxwell-Faraday equations at each timestep in order to represent accurately the interaction between the electromagnetic field and electrons. To our knowledge, this model constitutes the first fully causal relativistic description of RREAs. Using this new tool, we discovered that the low-energy electron density saturates at a predictable value. We also show that a fundamental limit exists in the number of high-energy electrons and photons, with a magnitude matching TGF observations, and derive a simple formula giving the observed saturation density and electron number. In order to better understand the relativistic feedback mechanism, we devise a method to derive a value of the feedback threshold electric field. We then perform simulations of the feedback process using the complete model, which allows us to fully appreciate the complexity of the phenomenon. From the results, we highlight the importance of considering all spatial and temporal aspects of the feedback process to describe it accurately. The results indicate that the relativistic feedback mechanism is unlikely to act alone in the production of the shortest or most intense TGFs.
Les flashs de rayons gamma terrestres (TGFs) sont des émissions très intenses et très brèves de rayons gamma se produisant durant les orages. Rapportés pour la première fois en 1994, de nombreuses recherches ont été menées afin de comprendre leurs propriétés et origines. Il y a consensus quant au fait que les TGFs sont produits dans les nuages d'orage par des avalanches d'électrons runaway relativistes (RREAs): un électron soumis à un champ électrique suffisamment élevé peut gagner plus d'énergie du champ qu'il n'en perd, via les collisions avec les molécules de l'air, devenant ainsi runaway. Il peut ainsi se propager et ioniser l'air, libérant de nouveaux électrons, dont certains sont runaway, formant ainsi une avalanche d'électrons runaway. Il y a cependant débat quant au contexte de l'initiation des RREAs dans les nuages orageux. Deux théories sont considérées à ce jour. Le mécanisme de feedback relativiste repose sur la propagation vers l'arrière de photons et de positrons produits par une première RREA, lesquels pourraient produire de nouvelles avalanches au voisinage de la position de départ de la première RREA, permettant ainsi d'atteindre un nombre suffisant d'électrons et de photons. Le mécanisme de runaway thermique suppose que les RREAs sont créées pendant la propagation des éclairs: le champ électrique intense induit dans les couronnes de streamers qui se forment au bout de traceurs d'éclairs pourraient accélérer une grande quantité d'électrons en provenance du leader, initiant ainsi la production de RREAs menant à un TGF. Dans cette thèse, nous formulons deux questions non résolues que nous abordons dans les chapitres suivants. De quelle manière la dynamique des RREAs est-elle affectée par des effets auto-consistents ? Quelle est l'importance des aspects spatiaux et temporels dans l'initiation du feedback relativiste ? Pour répondre à ces questions, nous avons mis au point un modèle relativiste auto-consistent, utilisant une technique de Monte Carlo pour simuler les collisions avec les molécules de l'air couplée à une méthode particle-in-cell (PIC) électromagnétique, qui résout les équations de Maxwell à chaque pas de temps afin de fournir une description détaillée des interactions entre le champ électromagnétique et les électrons. À notre connaissance, ce modèle constitue la première description pleinement causale des RREAs. En utilisant ce nouvel outil, nous avons découvert que la densité d'électrons de basse énergie saturait à une valeur prédictible. Nous montrons également qu'une limite fondamentale existe pour le nombre d'électrons et de photons de haute énergie, avec une magnitude correspondant aux observations de TGFs, et déduisons une formule simple donnant la densité de saturation et le nombre d'électrons. Afin de mieux comprendre le mécanisme de feedback relativiste, nous mettons au point une méthode afin de déterminer la valeur du champ électrique seuil pour le feedback. Nous réalisons ensuite des simulations du processus de feedback en utilisant le modèle complet, afin d'apprécier la complexité du phénomène. À partir des résultats, nous démontrons l'importance de prendre en compte tous les aspects spatio-temporels du processus de feedback relativiste afin de le décrire correctement. Les résultats semblent également supporter l'idée que le mécanisme de feedback relativiste n'agit pas seul dans la production des TGFs les plus courts et les plus intenses.
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Citer

Pierre Gourbin. Self-consistent modeling of relativistic runaway electron avalanches producing terrestrial gamma ray flashes. High Energy Astrophysical Phenomena [astro-ph.HE]. Université d'Orléans, 2024. English. ⟨NNT : 2024ORLE1041⟩. ⟨tel-04901690⟩
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