Thèse soutenue

Moteur central des explosions extrêmes : l'instabilité magnétorotationnelle dans les proto-étoiles à neutrons
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Auteur / Autrice : Alexis Reboul-Salze
Direction : Jérôme GuiletThierry Foglizzo
Type : Thèse de doctorat
Discipline(s) : Astronomie et Astrophysique
Date : Soutenance le 30/09/2021
Etablissement(s) : université Paris-Saclay
Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Astronomie et astrophysique d'Île-de-France (Meudon, Hauts-de-Seine ; 1992-....)
Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Astrophysique Instrumentation Modélisation (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 2005-....)
référent : Faculté des sciences d'Orsay
Jury : Président / Présidente : Patrice Hello
Examinateurs / Examinatrices : Jérôme Petri, François Rincon, Guillaume Dubus, Laurène Jouve, Jérôme Novak
Rapporteurs / Rapporteuses : Jérôme Petri, François Rincon

Résumé

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La fin de vie des étoiles massives donne lieu à une explosion, appelée supernova. Ces explosions sont provoquées par l'effondrement de leur cœur de fer et la formation d'une étoile à neutrons. Les observations des supernovae montrent que certaines d'entre elles ont des caractéristiques extrêmes comme leur énergie cinétique pour les hypernovae ou leur luminosité pour les supernovae superlumineuses. Un moteur central de ces explosions différent du mécanisme des neutrinos pour les supernovae standards est souvent invoqué pour expliquer ces caractéristiques extrêmes : une explosion magnétorotationnelle. Ce mécanisme suppose la formation d'une proto-étoile à neutrons (PNS) en rotation rapide et avec un fort champ magnétique qui permet d'extraire l'énergie de rotation et obtenir une explosion plus énergétique ou lumineuse. Cette PNS, une fois refroidie en étoile à neutrons, fait partie de la classe des magnétars, qui se distingue par toute une diversité d'émissions à haute énergie dues à la dissipation de leur intense champ magnétique interne. Les observations de ces objets permettent d'inférer que la composante dipolaire de leur champ magnétique est de l'ordre de 10¹⁴-10¹⁵ G.L'origine des magnétars et de leur fort champ magnétique à grande échelle, particulièrement en présence de rotation rapide, reste une question ouverte. Deux mécanismes ont été invoqués pour amplifier le champ magnétique dans les PNS : la dynamo convective ou l'instabilité magnétorotationnelle (MRI). Cette thèse se propose d'étudier en détail le scénario de formation par la MRI. Celle-ci a déjà été étudiée de manière analytique ou dans des simulations numériques locales dans une boite représentant une partie de la PNS. Pour la première fois, cette thèse présente des modèles 3D sphériques simplifiés, ce qui permet d'étudier l'origine du dipôle. Une première étude a été menée pour étudier la génération d'un champ magnétique à grande échelle dans l'approximation incompressible, ce qui permet une plus vaste exploration des paramètres et des simulations plus longues. Nos simulations montrent la présence d'une dynamo auto-entretenue, dont l'état saturé ne dépend pas des conditions initiales du champ magnétique. Bien que cet état soit dominé par le champ magnétique turbulent (≥ 10¹⁵ G), un dipôle représentant 5% du champ magnétique moyen est généré dans toutes les simulations. De manière inédite, ce dipôle est orienté vers le plan équatorial plutôt que vers l'axe de rotation. De plus, la comparaison de ces modèles sphériques avec les modèles locaux montre que l'état turbulent de la MRI a des propriétés similaires, bien que le champ magnétique soit légèrement plus faible dans les modèles globaux. Un modèle basé sur l'approximation anélastique a ensuite été développé afin de prendre en compte les profils de densité et d'entropie d'une structure réaliste de PNS. Les simulations montrent également une dynamo auto-entrenue avec un champ magnétique moyen ≥ 10¹⁴ G et un dipôle équatorial de l'ordre de 4.3% du champ magnétique. De plus, un nouveau comportement à grande échelle apparaît avec ce modèle réaliste : une dynamo de champ moyen qui peut être décrite comme une dynamo αΩ. La comparaison de ce modèle avec des modèles idéalisés montre que la stratification en densité favorise l'apparition d'une dynamo de champ moyen. La force de flottaison limite la turbulence dans le plan équatorial mais a une influence assez faible dans l'ensemble du fait de la forte diffusion thermique due aux neutrinos. Dans l'ensemble, les résultats présentés dans cette thèse confirment la capacité de la MRI de former des magnétars dans le cas d'une rotation rapide.