Similitudes et autosimilarité en physique des hautes densités d’énergie : application à l’astrophysique de laboratoire

par Émeric Falize

Thèse de doctorat en Astronomie et astrophysique

Sous la direction de Serge Bouquet.

Soutenue en 2008

à Observatoire de Paris , dans le cadre de École doctorale Astronomie et astrophysique d'Île-de-France (Meudon, Hauts-de-Seine1992-....) .

Le président du jury était Christophe Sauty.

Le jury était composé de Serge Bouquet, Paul R. Drake, Jean Heyvaerts, Gilles Chabrier, Alain Munier, Jean-Pierre Chièze.

Les rapporteurs étaient Paul R. Drake, Jean Heyvaerts.

mots clés

• Hydrodynamique
• Transfert radiatif
• Groupes, Théorie des
• Jets (astrophysique)
• Lois d'échelle (physique statistique)

Résumé

Cette thèse traite du nouveau domaine très prometteur qu’est l’astrophysique de laboratoire et a pour but de renforcer le lien entre expériences à l’aide de lasers de puissance et situations astrophysiques. Tout d’abord je justifie l’approche de l’astrophysique de laboratoire en élaborant de nouvelles lois d’échelle en hydrodynamique radiative à partir de la théorie des groupes de Lie. Pour la première fois, il est montré rigoureusement que les plasmas en présence de rayonnement en astrophysique peuvent être reproduits de manière homologue en laboratoire par des plasmas laser. Cette étude m’a conduit à proposer un nouveau projet expérimental (le projet POLAR) qui vise à mieux comprendre la physique de la colonne d’accrétion des variables cataclysmiques magnétiques. Ce projet est l’un des premiers visant à la création d’une véritable maquette d’un objet astrophysique. Dans un second temps, j’ai construit un ensemble de nouvelles solutions auto-semblables décrivant la dynamique des gaz polytropiques et le collapse radiatif à partir de la transformation de Burgan-Feix-Munier. Je montre explicitement que cette dernière apparaît comme une méthode unificatrice permettant de générer un ensemble complet de solutions auto-semblables. Ces solutions m’ont permis d’appréhender la physique de base des phénomènes mis en jeu ainsi que de valider le code de simulation numérique que j’ai développé au cours de cette thèse. Elles se révèlent également adaptées à la modélisation des expériences de jets de laboratoire réalisées auprès de l’installation LULI2000 dont l’objectif est la reproduction des phénomènes d’éjection de plasmas que l’on rencontre autour des étoiles jeunes.

Titre traduit

Similarity and self-similarity in high energy density physics : application to laboratory astrophysics

Résumé

This thesis deals with the very promising new field of laboratory astrophysics. It aims at strengthening the link between powerful laser experiments and astrophysical situations. Firstly I explained the laboratory astrophysics approach by developing new scaling laws in radiative hydrodynamics using the Lie group theory. For the first time it is strictly proved that radiating plasmas in astrophysics can be reproduced homologously in laboratory by laser plasmas. This study led me to propose a new experimental project – the POLAR project – which aims at a better understanding of the physics of the magnetic cataclysmic variables accreting column. This project is among the first ones trying to create a real model of an astrophysical object. Then I built a group of new self-similar solutions describing the dynamics of polytropic gases and the radiating collapse using the Burgan-Feix-Munier transformation. I explicitly showed that the latter seems to be a unifying method which allows to generate a whole group of self-similar solutions. These solutions allowed me to study the basic physics of the phenomena at stake and to validate the numerical simulation code I developed during the thesis. These solutions also proved to fit the modelling of the laboratory jet experiences carried out with the LULI2000 facility, the aim of which was to reproduce the plasma ejection phenomena encountered around young stars.