Ondes de choc relativistes

Relativistic Shock Waves : Structure, turbulence generation, particle acceleration and radiation.

• Auteur / Autrice : Illya Plotnikov
• Direction : Gilles Henri, Guy Pelletier
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 30/10/2013
• Etablissement(s) : Grenoble
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale physique (Grenoble, Isère, France ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Institut de Planétologie et Astrophysique de Grenoble
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de Planétologie et d'Astrophysique de Grenoble
• Jury : Président / Présidente : Richard Taillet
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Bertrand Lembege
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Alexandre Marcowith, Philippe Louarn

Mots clés

Mots clés libres

Astropohysique des hautes énergies

Chocs relativistes

Processus de Fermi

Génération de la turbulence

Rayonnements non-thermiques

Rayons cosmiques

High energy astrophysics

Relastivistic blast waves

Fermi processes

Turbulence generation

Non-thermal radiation

Cosmic Rays (CR)

Résumé

La formation et l'activité des objets compacts, tels que Trous Noirs ou étoiles à Neutrons, s'accompagne couramment d'éjection de matière ionisée sous forme de jets à la vitesse proche de celle de la lumière (vitesses relativistes). Se propageant dans le milieu environnant, par exemple Milieu Interstellaire, ces jets conduisent inéluctablement à la formation d'ondes de choc relativistes. Une forte turbulence magnétique et une population d'électrons accélérés sont requises afin de tenir compte de l'émission radiative non-thermique de ces chocs. L'approche naturelle de ce problème, décrivant de manière auto-consistante la structure du choc non-collisionnel, est celle de la physique cinétique des plasmas en régime relativiste. L'aspect essentiel de cette approche est l'étude du précurseur du choc, sous forme d'un faisceau de protons très énergétiques. Un ensemble d'instabilites plasma y prend lieu et dissipe l'energie du choc sous forme de micro-turbulence électromagnétique, électrons chauffés et particules accélérées. Ce cadre conceptuel emmène à reconsidérer le processus de transport de particules charges autour du choc. Deux études indépendantes, effectuées pendant la thèse, montrent que les lois de diffusion en aval et amont du choc se mettent sous une forme concise, en loi de puissance en fonction de l'énergie des particules et de l'intensité de la micro-turbulence magnétique. Les lois de diffusion, dérivées à l'aide des simulations Monte-Carlo et analytiquement, chiffrent l'énergie maximale des protons accélérés au choc à 10¹⁵ eV, si le facteur de Lorentz du choc est très grand devant 1. Cette limite se situe loin de l'énergie maximale des Rayons Cosmique et rend les chocs relativistes comme accélérateurs de particules inefficaces aux énergies les plus extrêmes. Le rayonnement, issu de l'accélération des électrons, atteint plusieurs GeV et corrobore l'idée que les chocs externes des Sursauts Gamma peuvent émettre à de telles énergies. L'approche alternative de l'étude des chocs, simulations Particle-In-Cell, m'as permis d'étudier la formation, structuration et évolution des chocs modérément relativistes dans une géométrie spatiale 1D. L'auto-reformation du front d'un choc perpendiculaire, connue dans le régime non-relativiste, persiste dans le régime moyennement relativiste et exhibe un front de choc non-stationnaire. A magnétisation basse, les électrons sont préchauffés dans le pied du choc par l'instabilité de Buneman entre protons réfléchis et électrons incidents, mais leur température en aval du choc reste plus faible que celle des protons. A magnétisation croissante, l'instabilité Maser Synchrotron devient essentielle dans la structuration du front de choc, avec émission d'un fort précurseur électromagnétique a partir du front de choc. Dans ce cas les électrons se mettent en équipartition avec les protons. Ces simulations 1D ne montrent pas d'évidence d'accélération des particules et des simulations 2D (3D) sont nécessaires.

The formation and activity of compact objects such as Black Holes and Neutron Stars results in the ejection of ionized matter in the form of jets with velocities close to c (relativistic). The interaction of such powerful jets with the external medium forms shocks, eventually relativistic. A strong self-generated magnetic micto-turbulence and a population of accelerated electron are required to explain the observed non-thermal radiation of these shocks. A natural approach to the study of the structure of a non-collisionnal shock involves kinetic treatement of plasma processes in the relativistic limit. This approach is adopted in the present thesis. Consequently, charged particle transport laws need to be studied carefully taking to acount self-consistent magnetic micro-turbulence at the shock. Two different studies of particle transport at each side of the shock (downstream and upstream) show that the diffusion laws take a concise form as a power law in energy (D ∝ E²) and the micro-turbulence strength. Both Monte-Carlo simulations and analytic studies are in agreement and, if the shock Lorentz factor is much greater than 1, it is found that the maximum energy of accelerated protons is 10¹⁵ eV. A physical mechanism is also provided to explain how electrons attain the equipartition with protons at the shock. Finally, the radiation from accelerated electrons at the shock can reach several GeV in a synchrotron-like spectrum. In the second part of the thesis, I used 1D3V PIC simulations to study mildly relativistic shocks structure and their time evolution. The prependicular shock front self-reformation, well-known in non-relativistic limit, persists at mildly relativistic speeds. At low magnetization (σ ≪ 10⁻²), electrons are pre-heated in the shock precursor by the Buneman instability between reflected ions and incident electrons. At higher magnetizations ions form a coherent cyclotron loop at the front and the Maser Synchrotron Instability is essential for the shock structure by emitting a strong electromagnetic precursor, responsible for electrons heating up to equipartition with protons. No particle acceleration is seen in these 1D3V simulations.