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 / Because of its ability to transfer the energy stored in magnetic field together with the breaking of the flux freezing constraint, magnetic reconnection is considered as one of the most important phenomena in plasma physics. When it happens in a collision less environment such as the terrestrial magnetosphere, it should a priori be modelled with in the framework of kinetic physics. The evidence of kinetic features has incidentally for a long time, been shown by researchers with the help of both numerical simulations and satellite observations. However, most of our understanding of the process comes from the more intuitive fluid interpretation with simple closure hypothesis which do not include kinetic effects. To what extent are these two separate descriptions of the same phenomenon related? What is the role of kinetic effects in the averaged/fluid dynamics of reconnection? This thesis addresses these questions for the proton population in the particular case of antiparallel merging with the help of 2D Hybrid simulations. We show that one can not assume, as is usually done, that the acceleration of the proton flow is only due to the La place force. Our results show, for symmetric and asymmetric connection, the importance of the pressure force, opposed to the electric one on the separatrices, in the decoupling region. In the symmetric case, we emphasize the kinetic origin of this force by analyzing the proton distribution functions and explain their structure by studying the underlying particle dynamics. Protons, as individual particles, are shown to bounce in the electric potential well created by the Hall effect. The spatial divergence of this well results in a mixing in phase space responsible for the observed structure of the pressure tensor. A detailed energy budget analysis confirms the role of the pressure force for the acceleration ; but, contrary to what is sometimes assumed, it also reveals that the major part of the incoming Poynting flux is transferred to the thermal energy flux rather than to the convective kinetic energy flux, although the latter is generally supposed dominant. In the symmetric case, we propose the pressure tensor to be an additional proxy of the ion decoupling region in satellite data and verify this suggestion by studying a reconnection event encountered by the Cluster spacecrafts. Finally, the last part of this thesis is devoted to the study of the kinetic structure of asymmetric tangential current sheets where connection can develop. This theoretical part consists in finding a steady state solution to the Vlasov-Maxwell system for the protons in such a configuration. We present the theory and its first confrontation to numerical tests.

La Nébuleuse du Crabe, contenant en son centre une étoile à neutrons très magnétisée – le pulsar du Crabe, était essentiellement considérée comme une chandelle standard stable dans les rayons-gamma. Récemment, ce point de vue a été contredit par des éruptions en rayons-gamma observées par les satellites spatiaux AGILE/Fermi-LAT. Même si le vent magnétique relativiste du pulsar est considéré comme la source d’énergie, le mécanisme physique à la base de ces événements éruptifs est encore un mystère. Nous avons, dans cette thèse, amélioré la compréhension d’un mécanisme basé sur la reconnexion magnétique rapide, partant du modèle du vent magnétique généré par le pulsar central qui perd son énergie rotationnelle. En effet, la structure du vent magnétique implique la présence des stries à lignes de champ magnétique de polarités alternées (d’où le nom "vent strié") à travers le plan équatorial du pulsar. Dans un modèle simplifié local, nous supposons l’initiation de la dynamique à partir d’une configuration à double nappe de courant (induite par la structure magnétique) dans le repère du vent strié. / The Crab Nebula, containing in its center a highly magnetized neutron star - the Crab pulsar, was essentially considered as a standard steady-state candle in gamma rays. Recently, this point of view has been challenged by gamma-ray flares observed by space satellites AGILE/Fermi-LAT. Even if the relativistic magnetic wind of the pulsar is considered to be the source of energy, the physical mechanism underlying these eruptive events is still a mystery. In this thesis, we improved the understanding of a mechanism based on fast magnetic reconnection, starting from the model of the magnetic wind generated by the central pulsar which loses its rotational kinetic energy. Indeed, the structure of the magnetic wind implies the presence of stripes with magmatic field lines of alternating polarities (hence the name "striped wind") through the equatorial plane of the pulsar. In a simplified local model, we assume the initiation of the dynamics from a double-current sheet configuration (induced by the magnetic structure) in the striped wind reference.

La reconnexion magnétique est un processus omniprésent et fondamental dans la physique des plasmas spatiaux. La "Magnetospheric multiscale mission" (MMS) de la NASA, lancée le 12 mars 2015, a été conçue pour fournir des mesures in-situ permettant d'analyser le processus de reconnexion dans la magnétosphère terrestre. Dans ce but, quatre satellites identiquement instrumentés mesurent les champs électromagnétiques et les particules chargées dans les régions de reconnexion, avec une résolution temporelle cent fois meilleure que celle des missions précédentes. MMS permet, pour la première fois, d'étudier les structures microscopiques associées à la reconnexion magnétique et, en particulier, la région de diffusion électronique. Au niveau de la magnétopause terrestre, la reconnexion magnétique a un rôle chef dans le transport de l'énergie du vent solaire vers la magnétosphère terrestre, en convertissant l'énergie magnétique en énergie cinétique et thermique. Les événements à transfert de flux (FTEs) sont considérés comme l'un des produits principaux et les plus typiques de la reconnexion magnétique à la magnétopause terrestre. Cependant, des structures magnétiques 3D plus complexes, avec des signatures similaires à celles des FTEs, peuvent également exister à la magnétopause. On retrouve, par exemple, des tubes de flux entrelacés qui résultent de reconnexions magnétiques ayant eues lieu à des sites différents. La première partie de cette thèse étudie l'un de ces événements, qui a été observé dans des conditions de vent solaire inhabituelles, au voisinage de la magnétopause terrestre par MMS. Malgré des signatures qui, à première vue, semblaient cohérentes avec un FTE classique, cet événement a été interprété comme étant le résultat de l'interaction de deux tubes de flux avec des connectivités magnétiques différentes. La haute résolution temporelle des données MMS a permis d'étudier en détail une fine couche de courant observée à l'interface entre les deux tubes de flux. La couche de courant était associée à un jet d'ions, suggérant ainsi que la couche de courant était soumise à une compression qui a entraîné une reconnexion magnétique à l'origine du jet d'ions. La direction, la vitesse de propagation et la taille de différentes structures ont été déduites en utilisant des techniques d'analyse de données de plusieurs satellites. La deuxième partie de la thèse fournit une étude complémentaire à la précédente et s'intéresse aux ondes observées autour de la couche de courant. / Magnetic reconnection is a ubiquitous and fundamental process in space plasma physics. The NASA's Magnetospheric Multiscale mission (MMS) launched on 12 March 2015 was designed to provide in-situ measurements for analyzing the reconnection process at the Earth's magnetosphere. In this aim, four identically instrumented spacecraft measure fields and particles in the reconnection regions with a time resolution which is one hundred times faster than previous missions. MMS allows for the first time to study the microscopic structures associated with magnetic reconnection and, in particular, the thin electron diffusion region. At the Earth's magnetopause, magnetic reconnection governs the transport of energy and momentum from the solar wind plasma into the Earth's magnetosphere through conversion of magnetic energy into kinetic and thermal energies after a rearrangement of magnetic field lines. Flux Transfer Events (FTEs) are considered to be one of the main and most typical products of magnetic reconnection at the Earth's magnetopause. However, more complex 3D magnetic structures with signatures akin to those of FTEs might also occur at the magnetopause like interlaced flux tubes resulting from magnetic reconnection at multiple sites. The first part of the work presented in this thesis consisted of the investigation of one of these events that was observed, under unusual and extreme solar wind conditions, in the vicinity of the Earth's magnetopause by MMS. Despite signatures that, at first glance, appeared consistent with a classic FTE, this event was interpreted to be the result of the interaction of two separate sets of magnetic field lines with different connectivities. The high time resolution of MMS data allowed to resolve a thin current sheet that was observed at the interface between the two sets of field lines. The current sheet was associated with a large ion jet suggesting that the current sheet was submitted to a compression which drove magnetic reconnection and led to the formation of the ion jet. The direction, velocity and scale of different structures were inferred using multi-spacecraft data analysis techniques. This study was completed with a plasma wave analysis that focused on the reconnecting current sheet.

Les nuages magnétiques ("Magnetic Clouds ", MCs) sont assimilés à des structures helicoïdales à grande échelle interagissant avec le milieu interplanétaire au cours de leur propagation. McComas et al. (1988), suivi par Dasso et al. (2006), ont envisagé la reconnexion magnétique comme processus pouvant graduellement éroder la structure externe des éjections de masse coronale interplanétaires. Ce processus d'érosion est le sujet central de cette thèse. Tout d'abord, nous confirmons l'existence de l'érosion d'un nuage magnétique grâce à une étude multi-satellites combinant un ensemble de signatures clés. Après avoir déterminé l'orientation des axes du MC par différentes méthodes, nous estimons le taux de flux magnétique érodé en analysant les variations du flux magnétique azimutal du MC. Nous démontrons aussi la présence de signatures de reconnexion magnétique à la frontière avant du MC, tel qu'attendue. Finalement, nous étudions les caractéristiques de la distribution en angle d'attaque des électrons suprathermiques dans la région arrière du MC. Ces électrons indiquent des modifications topologiques à grande échelle, attendues du processus d'érosion. Dans une seconde partie, une analyse statistique de tous les nuages magnétiques observés au cours de la période 1995-2008 est réalisée dans le but de quantifier ce processus. Nous montrons que ce processus est récurrent : l'érosion est relevée à l'avant et à l'arrière dans les mêmes proportions. Cela est confirmé par l'étude statistique des jets de plasma aux frontières, qui démontre indépendamment la fréquence élevée du processus d'érosion. Dans une dernière partie, parce que le mécanisme d'érosion est susceptible de supprimer une partie de flux magnétique orienté vers le Sud d'un MC, à l'avant ou à l'arrière, nous étudions l'impact potentiel de l'érosion sur la géo-efficacité résultante, en utilisant un modèle de MC combiné à un modèle empirique de l'intensité du courant annulaire terrestre. Nous modélisons aussi l'évolution radiale de ce processus. Nous concluons que la majeure partie de l'érosion se produit à l'intérieur de l'orbite de Mercure.

Les sursauts gamma sont de brefs (' 10 ms-100 s) flashs de photons gamma (keV-MeV), très intenses et très variables. Ils sont suivis d'une émission rémanente, détectée des rayons X à l'optique et aux ondes radio, qui décroît rapidement pour s'éteindre en quelques jours ou semaines. Leur luminosité extrême permet de les détecter jusqu'aux distances cosmologiques (au moins jusqu'à un décalage vers le rouge de 9). Ils sont associés à des jets ultra-relativistes éjectés par une source compacte nouvellement formée. Le sursaut est émis par des processus internes au jet et la rémanence est due au freinage par le milieu environnant. Le satellite Swift, lancé en 2004, a fait progresser notre connaissance de la phase rémanente (en particulier précoce), tandis que le satellite Fermi, lancé en 2008, a ouvert une nouvelle fenêtre spectrale à haute énergie (au dessus de 100 MeV). Mes travaux s'inscrivent dans le contexte de ces avancées observationnelles, dont certaines remettent en cause le " modèle standard " des sursauts gamma établi au cours des années 90. J'ai développé les outils numériques nécessaires pour modéliser de manière cohérente l'ensemble des phases d'émission du jet relativiste depuis sa photosphère jusqu'à sa décélération. A l'aide de ces outils j'ai obtenu plusieurs résultats qui contribuent à une meilleure compréhension de la physique des sursauts. Concernant le sursaut proprement dit, j'ai développé une approche nouvelle pour calculer précisément l'opacité vue par un photon de haute énergie se propageant dans un jet ultra-relativiste. Ceci m'a permis d'obtenir des contraintes importantes sur les conditions physiques dans le jet à partir des résultats de Fermi (facteur de Lorentz en particulier). Je me suis également attaché à identifier des signatures observationnelles permettant de discriminer entre différents modèles d'émission : signatures spectrales (émission optique et gamma de haute énergie, composante thermique) et temporelles (transition avec la rémanence). En ce qui concerne la rémanence, j'ai poursuivi le développement d'un modèle alternatif - le modèle du " choc en retour " - récemment proposé pour expliquer la complexité phénoménologique révélée par Swift. Portant sur les propriétés génériques de la rémanence, mais également sur quelques sursauts singuliers, mes travaux montrent que ce modèle du choc en retour explique plus naturellement que le modèle standard la diversité des comportements observés.