Mécanique statistique des systèmes auto-gravitants

par Maxime Champion

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de Angel Alastuey.

Soutenue le 29-06-2015

à Lyon, École normale supérieure , dans le cadre de École doctorale de Physique et d’Astrophysique (Lyon) , en partenariat avec Laboratoire de physique (Lyon) (laboratoire) .

Le président du jury était Freddy Bouchet.

Le jury était composé de Angel Alastuey, Freddy Bouchet, Julien Barré, Michael Joyce, Pierre-Henri Chavanis, Stefano Ruffo.

Les rapporteurs étaient Julien Barré, Michael Joyce.


  • Résumé

    L’étude des systèmes avec interactions gravitationnelles à l’aide des outils de la mécanique statistique repose jusqu’à présent sur l’utilisation d’une approximation de type champ moyen, qui néglige par construction les effets à courte portée de l’interaction. Pour commencer, je décris cette approximation dans son contexte historique, à savoir le modèle de la sphère isotherme. Puis, dans le cadre de la mécanique statistique du problème à N -corps, j’introduis un système de sphères dures massives, qui permet de s’affranchir de l’effondrement du système de points matériels. La validité de l’approche hydrostatique est discutée dans l’ensemble microcanonique, en introduisant une limite d’échelle adéquate.Cette étude permet de mettre en avant les critères de validité pour l’approche hydrostatique, et de constater qu’ils peuvent être mis en défaut dans les systèmes astrophysiques de type amas globulaire. Pour mieux les comprendre et les illustrer, je me concentre ensuite sur l’étude d’un modèle de bâtonnets durs massifs à une dimension, dont l’avantage est de permettre tous les calculs analytiques des différentes grandeurs statistiques. Ainsi, je mets en évidence comment l’approche de type champ moyen est mise en défaut pour certains états effondrés.Enfin, dans le but de tenter de décrire des amas globulaires, je développe un modèle comprenant des étoiles célibataires et des étoiles binaires. Ce modèle reproduit bien les effets qualitatifs attendus, et il constitue une première correction satisfaisante au modèle historique de la sphère isotherme. Je met aussi en évidence l’absence d’équilibre thermodynamique au sens strict pour les systèmes considérés. En conclusion, je réalise une discussion succincte de certains éléments dynamiques du problème.

  • Titre traduit

    Statistical mechanics of self-gravitating systems


  • Résumé

    The study of systems with gravitational interactions with the tools of mechanics statistics was based so far on the use of a mean-field approximation, which neglect by construction effects of the short-range interaction. To begin, I describe this approximation in its historical context, namely the model of isothermal sphere. Then, as part of statistical mechanics of many-body problem, I introduce a system of massive hard spheres, which overcomes the collapse of the point partcile system. The validity of the hydrostatic approach is discussed in the microcanonical ensemble, by introducing an appropriate scaling limit.This study helps to highlight conditions of validity of the the hydrostatic approach and show that those conditions may prove defective in astrophysical systems such globular clusters. To better understand and illustrate this point, I focus on the study of a model of massive hard sticks in one dimension, which has the advantage of allowing all analytical calculations of various statistical quantities. Thus, I highlight how the mean field type approach can be wrong for some collapsed states.Finally, in an attempt to describe globular clusters, I develop a model consisting of single stars and binaries stars systems. This model reproduces the expected qualitative effects, and is a good first correction of the historical model of the isothermal sphere. I also highlight the absence of thermodynamic equilibrium in the strict sense for the systems we study. In conclusion, I realize a brief discussion of some dynamical issues.

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