Reconnexion magnétique non-collisionelle dans les plasmas relativistes et simulations particle-in-cell

Collisionless magnetic reconnection in relativistic plasmas with particle-in-cell simulations

• Auteur / Autrice : Mickaël Melzani
• Direction : Rolf Walder
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 05/11/2014
• Etablissement(s) : Lyon, École normale supérieure
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de Physique et Astrophysique de Lyon (1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre de Recherche Astrophysique de Lyon (1995-....)
• Jury : Président / Présidente : Guy Pelletier
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Rolf Walder, Guy Pelletier, Giovanni Lapenta, Gérard Belmont, Mark Eric Dieckmann, Alexandre Marcowith
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Giovanni Lapenta, Gérard Belmont

Mots clés

Mots clés contrôlés

Reconnexion magnétique

Astrophysique

Mots clés libres

Astrophysique

Plasmas

Reconnexion magnétique

Processus relativistes

Méthode numérique

Particle-in-cell

Astrophysics

Plasmas

Magnetic reconnection

Relativistic processes

Numerical methods

Particle-in-cell

Résumé

L'objectif de cette thèse est l'étude de la reconnexion magnétique dans les plasmas non-collisionels et relativistes. De tels plasmas sont présents dans divers objets astrophysiques (MQs, AGNs, GRBs...), où la reconnexion pourrait expliquer la production de particules et de radiation de haute énergie, un chauffage, ou des jets. Une compréhension fondamentale de la reconnexion n'est cependant toujours pas acquise, en particulier dans les plasmas relativistes ion-électron. Nous présentons d'abord les bases de la reconnexion magnétique. Nous démontrons des résultats particuliers à la physique des plasmas relativistes, concernant par exemple la distribution de Maxwell-Jüttner. Ensuite, nous réalisons une étude détaillée de l'outil numérique utilisé : les simulations particle-in-cell (PIC). Le fait que le plasma réel contienne beaucoup plus de particules que le plasma PIC a des conséquences importantes (collisionalité, relaxation, bruit) que nous décrivons. Enfin, nous étudions la reconnexion magnétique dans les plasmas ion-électron et relativistes à l'aide de simulations PIC. Nous soulignons des points spécifiques : loi d'Ohm (l'inertie de bulk dominante), zone de diffusion, taux de reconnexion (et sa normalisation relativiste). Les ions et les électrons produisent des lois de puissance, avec un index qui dépend de la vitesse d'Alfvén et de la magnétisation, et qui peut être plus dur que dans le cas des chocs non-collisionels. De plus, les ions peuvent avoir plus ou moins d'énergie que les électrons selon la valeur du champ guide. Ces résultats fournissent une base solide à des modèles d'objets astrophysiques qui, jusque là, supposaient a priori ces résultats.

The purpose of this thesis is to study magnetic reconnection in collisionless and relativistic plasmas. Such plasmas can be encountered in various astrophysical objects (microquasars, AGNs, GRBs...), where reconnection could explain high-energy particle and photon production, plasma heating, or transient large-scale outflows. However, a first principle understanding of reconnection is still lacking, especially in relativistic ion-electron plasmas. We first present the basis of reconnection physics. We derive results relevant to relativistic plasma physics, including properties of the Maxwell-Jüttner distribution. Then, we provide a detailed study of our numerical tool, particle-in-cell simulations (PIC). The fact that the real plasma contains far less particles than the PIC plasma has important consequences concerning relaxation times or noise, that we describe. Finally, we study relativistic reconnection in ion-electron plasmas with PIC simulations. We stress outstanding properties: Ohm's law (dominated by bulk inertia), structure of the diffusion zone, energy content of the outflows (thermally dominated), reconnection rate (and its relativistic normalization). Ions and electrons produce power law distributions, with indexes that depend on the inflow Alfvén speed and on the magnetization of the corresponding species. They can be harder than those produced by collisionless shocks. Also, ions can get more or less energy than the electrons, depending on the guide field strength. These results provide a solid ground for astrophysical models that, up to now, assumed with no prior justification the existence of such distributions or of such ion/electron energy repartition.