Étude des chocs radiatifs dans le cadre de l'astrophysique de laboratoire

Study of radiative shocks in the context of laboratory astrophysics

• Auteur / Autrice : Thibault Michel
• Direction : Michel Koenig
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique des plasmas
• Date : Soutenance le 29/11/2019
• Etablissement(s) : Université Paris-Saclay (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ondes et matière (Orsay, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : École polytechnique (Palaiseau, Essonne ; 1795-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire pour l'utilisation des lasers intenses (Palaiseau, Essonne ; 1997-....)
• Jury : Président / Présidente : Jérôme Faure-Vincent
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Michel Koenig, Fabien Dorchies, John Foster, Andrea Ciardi, Daniel Vanderhaegen
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Fabien Dorchies, John Foster

Mots clés

Mots clés contrôlés

Laser Mégajoule

Astrophysique

Plasmas, Astrophysique des

Mots clés libres

Astrophysique

Hydrodynamique radiative

Chocs radiatifs

Plasmas

Lasers de puissance

Astrophysics

Radiative hydrodynamics

Radiative shocks

Plasmas

High-power laser

Résumé

Le développement des lasers depuis plusieurs décennies permet aujourd’hui de concentrer une quantité macroscopique d’énergie (environ 1 kJ) dans un petit espace (quelques mm3) et sur une courte durée (environ 1 ns). Cela permet d’atteindre le régime des Hautes Densités d’Énergie (HDE), que l’on retrouve au cœur des planètes ou dans les étoiles. Cette thèse s’inscrit dans le cadre de l’Astrophysique de Laboratoire, qui consiste à réaliser en laboratoire des expériences avec des lasers de puissance. Le couplage à des lois d’échelle permet alors de modéliser des phénomènes astrophysiques précis. Les paramètres expérimentaux qui sont mesurés peuvent alors s’étendre, dans une certaine mesure, jusqu’au système astrophysique reproduit.Lors de cette thèse, nous nous sommes concentrés sur un type de phénomène précis : les chocs radiatifs. Ceux-ci sont présents par exemple lors des explosions de supernovae, à proximité des nuages moléculaires, ou dans les disques d’accrétion.Nous étudions d’abord l’aspect expérimental du choc radiatif généré par des lasers de puissance, notamment sur le laser GEKKO à Osaka (Japon). En particulier, nous déterminons les critères que l’on doit considérer pour qualifier un choc de « radiatif », puis nous étudions les contraintes expérimentales qui permettent de le générer, ce qui nécessite un important travail de simulation numérique.Ensuite, nous exposons différents aspects de l’interaction entre un choc radiatif et un obstacle solide, reproduisant l’ablation d’un nuage moléculaire par des étoiles avoisinantes. Nous en présentons les aspects théoriques, numériques et expérimentaux.Un autre effet qui a été constaté expérimentalement, puis expliqué analytiquement et numériquement, est la décélération du choc lorsque celui-ci possède d’importants effets radiatifs. Cela mène à des développements d’instabilités, comme on peut le voir autour de la supernova SN1987A. Le modèle développé donne une explication possible sur l’évolution de points chauds dans les anneaux qui l'entourent.Enfin, dans le but d’étudier expérimentalement ces effets pour un choc encore plus rayonnant, nous présentons dans cette thèse le dimensionnement d’une expérience qui aura lieu sur le Laser MegaJoule (LMJ) dans le courant de l’année 2020.De nombreuses perspectives sont mentionnées à la fin du manuscrit, donnant des pistes d’améliorations expérimentales mais également théoriques concernant la classification des chocs radiatifs.

The development of lasers for several decades now allows to concentrate a macroscopic quantity of energy (around ;1 kJ) in a small volume (a few mm3) and over a short duration (around 1 ns). This defines the High Energy Densities (HED) regime, that can be found in planet's core or inside stellar systems. Laboratory Astrophysics is the frame of this thesis, which consists of performing experiments in the laboratory with high-energy lasers. Coupled with scaling laws, experiments results can be used to model dedicated astrophysical phenomena. The experimental parameters that are measured can be extended to the reproduced astrophysical system. During this thesis, we focused on a specific type of phenomenon: radiative shocks. These are present for example during supernova explosions, around molecular clouds, or in accretion disks.We first study the experimental aspect of the radiative shock generated by high energy lasers, especially at the GEKKO laser facility in Osaka (Japan). In particular, we determine the criteria that must be considered to qualify a shock as a "radiative" shock, then we study the experimental constraints that make it possible to generate it, which requires an important work of numerical simulation.Afterwards, we expose different aspects of the interaction between a radiative shock and a solid obstacle, reproducing the ablation of a molecular cloud by massive stars in its neighbouhood. We present theoretical, numerical and experimental aspects.Another effect that has been found experimentally, then explained analytically and numerically, is the deceleration of a shock when radiative effects are significant. This leads to instabilities developments, like in SN1987A supernova circumstellar medium. The model developed gives a possible explanation on the evolution of hotspots observed in the circumstellar medium.Finally, in order to study these effects experimentally for a shock with higher radiative effects, we present in this thesis the design of a Laser MegaJoule (LMJ) experiment that will take place in 2020.Many perspectives are given at the end of the manuscript, giving some experimental development but also theoretical improvements concerning the classification of radiative shocks.