Maser

Simulateur d’Emissions Radio Planétaires et Exoplanétaires

Monday 7 January 2019, by Baptiste Cecconi

SERPE (Simulateur d’Emission Radio Planétaires et Exoplanétaire), ExPRES (Exoplanetary and Planetary Radio Emission Simulator) en anglais, est un outil qui permet de simuler les spectres dynamiques d’émissions radio aurorales.

Accès aux données ExPRES

Le code et des données précalculées sont disponibles de différentes façons:

  • Fichiers de données et fichiers de configuration sur un site web
  • Catalogue de métadonnées à travers VESPA.
  • Accès dans l’outil Autoplot (avec une interface das2stream depuis le serveur PADC das2 server).
  • Calcul à la demande avec le front-end UWS.

Fondements Physiques du code

Le code SERPE fait l’hypothèse que les ondes radio aurorales sont émises via Instabilité Maser Cyclotron (IMC). Ce processus d’émission permet de transférer de l’énergie libre présente dans la fonction de distribution des électrons présents dans la source, vers le fond ambiant des fluctuations électromagnétiques, amplifiant ainsi par résonance les ondes à une fréquence proche de la fréquence cyclotron électronique locale. Une vue très simpliste mais plus parlante serait de dire que la source se comporte comme une antenne hélicoïdale dont le courant serait le trajet des électrons qui spirales dans le champs magnétique ambiant.

Selon les détails de la fonction de distribution électronique en jeu, l’IMC prédit le diagramme d’émission de la source radio qui consiste en un cône creux, dont le feuillet est très fin (2-5 degrés) et dont l’angle de demie ouverture peut varier de 90 degrés à 50 degrés. Le diagramme d’émission radio est donc très anisotrope. Le code SERPE calcule cette visibilité, en prenant en entrée la position de la source et celle de l’observateur, ainsi que les paramètres du modèle de l’IMC choisi.

CMI beaming pattern
CMI beaming pattern

The CMI produces a hollow-cone shaped beaming pattern. An observer must be in line with its thin layer of emission to be able to see the radio waves.

En résumé, SERPE est un outil numérique de calcul de spectres dynamiques synthétiques de source radio avec quelques hypothèses:

  • Le type of sources radio est similaire à celui des émissions radio aurorales planétaires:
    • Amplification radio par IMC le long d’une ligne de champ magnétique.
  • L’intensité des sources radio est constante le long d’une ligne de champ magnétique donnée:
    • L’intensité dans le spectre dynamique synthétique n’est dû qu’à la visibilité source par l’observateur sélectionné.
  • Le diagramme d’émission de la source source peut être déduit d’un nombre de paramètres réduit:
    • Ces paramètres sont suffisants pour modéliser la plupart des émissions radio aurorales connues.
ExPRES results and real data
ExPRES results and real data

Io-controlled radio emissions from Jupiter. (a,b,c) observations at the Nancay Decameter Array; (d,e,f) and (g,h,i) synthetic dynamic spectra of the above observations, under different assumptions. Hess, Cecconi and Zarka, GRL, 2008

Ficher de configuration SERPE

Les paramètres de configuration SERPE sont fournis au code avec un fichier JSON qui se conforme au schéma JSON ExPRES. Des exemples de fichiers de configuration sont disponible avec les fichiers CDF files précalculés (voir en haut de la page pour l’accès).

Sorties de SERPE

Le code SERPE a plusieurs options de sortie. Les principales sont:

  • Spectrogrammes Temps-Fréquence (ou spectres dynamiques) qui peuvent être directement comparés aux vraies mesures;
  • Films 2D de la position des sources radio visibles comme vues depuis l’observateur;
  • Films 3D de la position des sources radio visibles dans le référentiel planétaire.

D’autres options de sorties sont disponibles, avec des spectrogrammes dépendants de paramètres planétaires comme la latitude, la distance ou la longitude de l’observateur. Les images sont fournies en documents PDF et les films en séquences vidéos MP4. Il peut aussi fournir des données en CDF.

Etat du développement

La version actuelle du code ExPRES est 6.1. Il est disponible avec un licence open-source dans le dépôt GitHub MASER : https://github.com/maserlib/ExPRES

SERPE a été développé depuis 2008, principalement par S. Hess [1] au LESIA. P. Zarka, L. Lamy et B. Cecconi ont participé au développement des différentes version du code. C. Louis [2] a consolidé et validé le code pendant sa thèse et l’a utilisé pour des études scientifiques, alors que les missions JUNO et Cassini exploraient les régions aurorales de Jupiter et de Saturne, respectivement.

De plus, le service SERPE est actuellement en transfert vers PADC, afin moderniser les technologies internes du service. En 2018, une interface de calcul à la demande a été mise en place en utilisant le framework OPUS (Observatoire de Paris UWS Server) développé initialement pour le projet CTA. Le code SERPE peut maintenant être lancé à travers cette interface. Le code tourne alors sur le cluster de calcul de l’Observatoire de Paris (Tycho). Les développements futurs implique le passage à GDL au lieu d’IDL pour l’exécution des jobs et la refonte de l’interface utilisateur, en utilisant un framework du type Django.

Footnotes

[1maintenant à l’ONERA, Toulouse.

[2maintenant post-doc à l’IRAP, Toulouse, France