L'instabilité non-résonnante de dérive : de la théorie à l'expérience

The non-resonant streaming instability : from theory to experiment

• Auteur / Autrice : Alexis Marret
• Direction : Andrea Ciardi, Roch Smets
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Astronomie et Astrophysique
• Date : Soutenance le 15/11/2021
• Etablissement(s) : Université Paris sciences et lettres
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Astronomie et astrophysique d'Île-de-France (Meudon, Hauts-de-Seine ; 1992-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d’étude du rayonnement et de la matière en astrophysique et atmosphères (Paris ; 2002-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Observatoire de Paris (1667-....)
• Jury : Président / Présidente : Laurence Rezeau
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Andrea Ciardi, Roch Smets, Emmanuel d' Humières, Anatoly Spitkovsky, Katia Ferrière, Fabien Casse, Nuno Loureiro
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Emmanuel d' Humières, Anatoly Spitkovsky

Mots clés

Mots clés contrôlés

Champs magnétiques

Rayonnement cosmique

Mots clés libres

Instabilité

Plasma

Rayons cosmiques

Instability

Plasma

Cosmic rays

Résumé

Les rayons cosmiques peuvent alimenter la croissance exponentielle d'un champ magnétique préexistant en déclenchant des instabilités qui grandissent grâce au mouvement de dérive collectif des particules. Parmi les différentes instabilités de dérive, le mode non-résonnant, aussi appelé mode de Bell, a fait l'objet d'une attention croissante car il peut amplifier le champ magnétique au-delà de son intensité initiale, et génère la turbulence nécessaire pour aider au confinement et à à accélération des rayons cosmiques. De manière générale, il peut se développer dans une grande variété d'environnements, allant des nuages moléculaires froids et denses au milieu intergalactique chaud et diffus.Ce travail vise à élucider le comportement de l'instabilité non-résonante de dérives des rayons cosmiques dans de tels environnements, où les effets thermiques et collisionnels peuvent modifier considérablement sa croissance et sa saturation. Nous décrivons d'abord l'instabilité dans le cadre de la théorie fluide en mettant l'accent sur le mécanisme physique conduisant à l'amplification exponentielle des perturbations électromagnétiques, et obtenons des prédictions analytiques du taux de croissance pour des éléments ioniques arbitraires. En raison de sa nature non-résonante, une description fluide est suffisante pour saisir les principales caractéristiques de l'instabilité lorsque la température du plasma ambiant est négligeable. Pour étudier l'instabilité dans les environnements chauds, où les effets du rayon de Larmor fini sont importants, nous recourons à la théorie cinétique linéaire et étendons les résultats analytiques existants au cas d'ions découplés des perturbations magnétiques. Nous obtenons que les longueurs d'onde instables ne sont pas entièrement supprimées, mais sont plutôt déplacées vers des échelles plus grandes avec un taux de croissance fortement réduit.Les résultats de la théorie linéaire sont confirmés, et étendus à l'évolution non-linéaire dans la deuxième partie de cette thèse, par des simulations multi-dimensionnelles hybrides de type ``particle in cell'' (ions cinétiques et électrons fluides). Les simulations mettent en évidence une réduction importante du niveau d'amplification du champ magnétique dans le régime chaud [Marret et al. MNRAS 2021], ce qui indique qu'il peut être limité dans les plasmas astrophysiques chauds tels que les superbulles ou le milieu intergalactique. Dans les environnements plus froids et plus denses, comme les régions H II et les nuages moléculaires, les collisions entre particules dans le plasma ambiant doivent être prises en compte. Nous étudions numériquement leur impact en incluant dans les simulations avec une méthode Monte-Carlo les collisions proton-proton et proton-hydrogène. Nous obtenons que l'instabilité est rapidement supprimée dans les plasmas faiblement ionisés, où les collisions proton-hydrogène dominent. Ces résultats de simulations cinétiques confirment quantitativement les calculs existants de la théorie linéaire multifluide. En revanche, nous constatons que les collisions coulombiennes favorisent de manière inattendue le développement de l'instabilité dans les plasmas entièrement ionisés, en réduisant des anisotropies de pression auto-générées qui autrement s'opposeraient à sa croissance.Les simulations numériques sont actuellement le seul moyen d'étudier l'évolution non-linéaire de l'instabilité et d'obtenir des estimations quantitatives de l'intensité du champ magnétique après saturation. La dernière partie de cette thèse est consacrée à la conception d'expériences dédiées à la vérification des prédictions de la théorie linéaire et des simulations. Nous décrivons les conditions requises sur les paramètres du plasma pour générer l'instabilité dans une expérience, et proposons deux configurations possibles basées sur les installations laser haute puissance existantes, en visant à observer et caractériser le mode non-résonant pour la première fois en laboratoire.

Cosmic rays can power the exponential growth of a seed magnetic field by exciting instabilities that feed on the kinetic energy of the particles collective streaming motion. Of the different streaming instabilities, the non-resonant mode, also called Bell's mode, has received growing attention as it can amplify the magnetic field well beyond its initial intensity, and generate the necessary turbulence to help confine and accelerate cosmic rays in supernovae remnants and young stellar jets shocks via the first order Fermi mechanism. In general, it can develop in a large variety of environments, ranging from the cold and dense molecular clouds to the hot and diffuse intergalactic medium.This work aims at elucidating the behaviour of the non-resonant cosmic rays streaming instability in such environments, where thermal and collisional effects can substantially modify its growth and saturation. In the first part of this thesis, we describe the instability within fluid theory by highlighting the basic physical mechanism leading to the exponential amplification of electromagnetic perturbations, and obtain analytical predictions for the growth rate for arbitrary ion elements. Owing to its non-resonant nature, a fluid description is a sufficiently accurate model of the instability only when the background plasma temperature is negligible. To study the instability in hot environments, where finite Larmor radius effects are important, we then resort to linear kinetic theory and extend the existing analytical results to the case of demagnetized ions. We find that the unstable wavelengths are not entirely suppressed, but are instead shifted toward larger scales with a strongly reduced growth rate.The linear theory results are confirmed, and extended to the non-linear evolution in the second part of the thesis, by multi-dimensional hybrid-Particle-In-Cell simulations (kinetic ions and fluid electrons). The simulations highlight an important reduction of the level of magnetic field amplification in the hot regime [Marret et al. MNRAS 2021], indicating that it may be limited in hot astrophysical plasmas such as in superbubbles or the intergalactic medium. In colder and denser environments, such as H II regions and molecular clouds, particle collisions in the background plasma must be taken into account. We investigate numerically their impact by including Monte-Carlo Coulomb and neutral collisions in the simulations. We find that in poorly ionized plasmas, where proton-hydrogen collisions dominate, the instability is rapidly suppressed and our results from kinetic simulations confirm quantitatively existing, multi-fluid linear theory calculations. In contrast, we find that in fully ionized plasmas, Coulomb collisions unexpectedly favour the development of the instability by reducing self-generated pressure anisotropies that would otherwise oppose its growth.Numerical simulations are currently the only means to investigate the non-linear evolution of the instability and to obtain quantitative estimates of the saturated magnetic field intensity. The final part of this thesis is devoted to answer the growing need for an experimental verification of the linear theory and simulations predictions. We describe the requirements on the plasma parameters to generate the instability in an experiment, and propose two possible setups based on existing high-power laser facilities, aiming at observing and characterizing the non-resonant mode for the first time in the laboratory.