Effet dynamo et turbulence magnétohydrodynamique sous-critiques dans les disques d'accrétion

Subcritical dynamos and magnetohydrodynamic turbulence in accretion disks

• Auteur / Autrice : Antoine Riols-Fonclare
• Direction : François Rincon, Carlo Cossu
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Astrophysique
• Date : Soutenance en 2014
• Etablissement(s) : Toulouse 3

Mots clés

Mots clés contrôlés

Turbulence

Magnétohydrodynamique

Accrétion (astrophysique)

Mots clés libres

Disques d'accrétion

Dynamos

Turbulence MHD

Dynamique non-linéaire

Résumé

L'un des défis majeurs de la théorie des disques d'accrétion en astrophysique est de pouvoir identifier des mécanismes efficaces de transport de moment cinétique au sein de ces objets. Le scénario le plus crédible aujourd'hui est que ce transport est lié à l'existence de turbulence magnétohydrodynamique (MHD), initiée par une instabilité dite ''magnétorotationnelle'' (MRI), nécessitant la présence d'un champ magnétique. Ce problème soulève la question de l'origine et de l'entretien de ce champ au sein du disque. Un mécanisme de dynamo sous-critique non-linéaire, s'appuyant sur la MRI, pourrait permettre d'expliquer conjointement l'entretien de la turbulence MHD et du champ magnétique dans l'écoulement cisaillé képlérien. Des mécanismes similaires basés sur d'autres instabilités MHD pourraient également être à l'oeuvre dans les intérieurs stellaires. Les conditions physiques d'excitation de cette dynamo sont cependant mal compris. Des travaux numériques ont suggéré que celle-ci pourrait ne pas être entretenue à petit nombre de Prandtl magnétique (ratio entre viscosité et diffusivité magnétique), un régime assez commun dans les disques d'accrétion. Le but de cette thèse a été de mieux comprendre les conditions d'entretien de cette dynamo et le rôle joué par les effets dissipatifs dans la transition vers une turbulence MHD auto-entretenue. Pour cela, nous avons étudié en détail la nature de la transition et le rôle particulier des solutions périodiques non-linéaires tridimensionnelles. Nous avons d'abord montré que l'émergence d'activité chaotique associée à cette dynamo était due à la présence de bifurcations globales de tels cycles. Nous avons ensuite tenté d'élucider l'origine physique de la dépendance en Pm de la transition. Grâce à une analyse énergétique des cycles, nous avons mis en évidence qu'une forme de diffusion magnétique ''turbulente'' rend l'excitation de la dynamo plus difficile à petit Pm. Cet effet très générique pourrait s'opposer à l'activation de la dynamo dans les disques mais aussi limiter l'efficacité du transport de moment cinétique associé à la turbulence MRI à bas Pm.

One of the main challenges of accretion disk theory in astrophysics is to identify efficient angular momentum transport mechanisms in disks. The most popular scenario is that this transport is due to the magnetohydrodynamic (MHD) turbulence triggered by the magnetorotational instability (MRI), which requires the existence of a magnetic field. This raises the question of the origin and sustainement of such a field in disks. A subcritical nonlinear dynamo process, involving the MRI, may be responsible for the joint excitation of MHD turbulence and magnetic fields in Keplerian shear flow. Similar dynamos driven by other MHD instabilities may also be active in stellar interiors. However, the detailed mechanisms underlying the excitation of the MRI dynamo are not well understood. Numerical results suggest that this mechanism may not be sustained at low magnetic Prandtl number (ratio between viscosity and magnetic diffusivity), a common dissipation regime in accretion disks. The purpose of this thesis has been to understand the physical conditions of excitation of this dynamo and the role of dissipative effects on the transition to self-sustained MHD turbulence. For this purpose, we investigated in detail the nature of the transition and the role of tridimensional nonlinear periodic solutions in this problem. First, we showed that the emergence of chaotic dynamo action is primarily associated with global bifurcations involving such cycles. We then attempted to elucidate the physical origin of the Pm dependence of the transition. Using a detailed energy analysis of several dynamo cycles, we found that ''turbulent'' diffusion makes the excitation of the dynamo increasingly difficult for decreasing Pm. This very generic effect could be an important determinant of MRI dynamo excitation in disks, and may also limit the efficiency of angular momentum transport by MRI turbulence at low Pm.