Études théoriques et numériques des ondes de choc relativistes et sans collisions

Theoretical and numerical studies of relativistic collisionless shock waves

• Auteur / Autrice : Arno Vanthieghem
• Direction : Martin Lemoine, Laurent Yvan André Gremillet
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Astrophysique des hautes énergies
• Date : Soutenance le 19/09/2019
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Astronomie et astrophysique d'Île-de-France (Meudon, Hauts-de-Seine ; 1992-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut d'astrophysique de Paris (1936-....)
• Jury : Président / Présidente : Caterina Riconda
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Hélène Sol, Guy Pelletier
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : John G. Kirk, Luís O. Silva

Mots clés

Mots clés contrôlés

Modèles mathématiques

Ondes de choc

Oscillations de plasma

Sursauts gamma

Particules (physique)

Physique des hautes énergies

Mots clés libres

Instabilités plasma

Particle-in-cell

Chocs sans collisions

Sursauts gamma

Astrophysique relativiste

Accélération de particules

Plasma instabilities

Particle-in-cell

Collisionless shock

Gama-ray burst

Relativistic astrophysics

Particle acceleration

Résumé

Les ondes de choc relativistes et sans collisions jouent un rôle majeur dans la physique des objets astrophysiques extrêmes, tels que les sursauts gamma, les blazars ou les nébuleuses de vent de pulsar, au sein desquels elles contribuent à la production de distributions non thermiques de particules et rayonnement. Ces ondes de choc résultent de l'interaction, par l'entremise d'une turbulence électromagnétique engendrée par des micro-instabilités, entre un faisceau de particules accélérées par processus de Fermi et le plasma ambiant. La modélisation de leur dynamique constitue un problème complexe, dont le traitement requiert de combiner analyse théorique et simulations numériques de type particle-in-cell (PIC). Après un résumé des concepts et des outils numériques nécessaires à la modélisation du problème, nous étudions l'évolution non-linéaire de l'instabilité de filamentation de courant qui domine la physique du précurseur de tels chocs. Dans un second temps, nous développons un modèle complet de la micro-physique de ces chocs, basé sur la définition d'un référentiel privilégié dans lequel la turbulence est quasi magnétostatique. Ce référentiel nous permet de caractériser le chauffage et le ralentissement du plasma de fond ainsi que la dynamique du faisceau. Pour terminer, nous explorons l'effet d'un éjecta neutronique sur l'évolution du choc avant dans un sursaut gamma. Pour chaque étude, nos prédictions théoriques sont étayées par des simulations PIC de haute résolution.

Collisionless relativistic shock waves play a major role in extreme astrophysical objects such as gamma-ray bursts, blazars and pulsars wind nebulae, in which they are held responsible for producing nonthermal particle and radiation distributions. Without an external magnetic field, these shocks stem from the interaction, mediated by microinstabilities, of a beam of Fermi-accelerated particles with the ambient plasma. There results an electromagnetic turbulence that scatters both the beam and plasma particles. While the background plasma is mainly slowed down and heated, a fraction of its particles are accelerated to suprathermal energies, thus sustaining the shock wave. Understanding the highly nonlinear physics of such structures requires combining analytical models and large-scale particle-in-cell (PIC) numerical simulations. After a short review of the concepts and numerical techniques used to address the topic, we first examine the evolution of the current filamentation instability, which prevails in the precursor region of initially unmagnetized shocks. We then develop a comprehensive microphysical model of such shocks. To this purpose, we introduce the notion of a preferential frame, in which the microturbulence is quasi-magnetostatic, thus allowing the description of the particle scattering to be greatly simplified. Finally, we analyze the influence of a neutron ejecta propagating upstream of a gamma-ray burst shock. For each study, our model predictions are substantiated by state-of-the-art PIC simulations. particules