Etudes des supernovæ et de leur rémanent en astrophysique de laboratoire : influence du champ magnétique et du rayonnement

Studies on supernovæ and their remnant in laboratory astrophysics : impact of the magnetic field and the radiation

• Auteur / Autrice : Yaniss Benkadoum
• Direction : Michel Koenig
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Astrophysique
• Date : Soutenance le 06/11/2023
• Etablissement(s) : Institut polytechnique de Paris
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de l'Institut polytechnique de Paris
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire pour l'utilisation des lasers intenses (Palaiseau, Essonne ; 1997-....) - Laboratoire pour l'utilisation des lasers intenses / LULI
• Jury : Président / Présidente : Fabien Dorchies
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Michel Koenig, Alexis Casner, Émeric Falize, Claire Michaut, Salvatore Orlando
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Alexis Casner, Émeric Falize

Mots clés

Mots clés contrôlés

Magnétohydrodynamique

Laser Mégajoule

Astrophysique

Mots clés libres

Instabilités hydrodynamiques

Chocs radiatifs

Simulation magnetohydrodynamique

Astrophysique de laboratoire

Luli2000

Lmj-Petal

Hydrodynamic instability

Radiative shock

Magnetohydrodynamic simulation

Laboratory astrophysics

Luli2000

Lmj-Petal

Résumé

Cette thèse s’inscrit dans le cadre d’une discipline récente : l’astrophysique de laboratoire. Ces deux termes dont la combinaison forme presque un oxymore peuvent être liés grâce à l’avènement d’une nouvelle technologie qui jouera tout au long de ces travaux le rôle de trait d’union : les machines d’énergies pulsées. Pour bien comprendre le domaine d’application de cette nouvelle discipline il suffit de décortiquer son appellation. L’astrophysique s’affaire à expliquer les phénomènes se produisant dans l’univers. Bien qu’ayant fait des progrès colossaux depuis le début du siècle dernier, l’astrophysique reste lourdement tributaire des observations et informations que nous offre l’univers. Additionnellement à cette quantité limitée d’informations, les objets et processus observés sont de notre point de vue comme figés dans le temps. Autant d’inconvénients que l’astrophysique de laboratoire se propose de contrer. En effet, dans « astrophysique de laboratoire », il y a « laboratoire ». Et grâce à des lois d’échelle, à la notion de similarité et à l’aide de nombres adimensionnés, il est possible de reproduire en laboratoire, et donc dans des conditions contrôlées, des phénomènes plus ou moins similaires à des processus et corps astrophysiques.Pour cela, il est nécessaire de mettre la matière dans des conditions extrêmes de température et pression. Ce régime hautement énergétique de la matière est décrit via une physique particulière nommée, Physique des Hautes Densités d’Energie (PHDE). Plus précisément, ce domaine de la physique désigne la science d’un système qui possède une densité d’énergie dépassant les 1011 J.cm-3, ce qui correspond par exemple à une pression supérieure à 1 Mbar. Les installations de laser de puissance nous permettent d’atteindre ce genre de régime.La PHDE contrôlée en laboratoire permet d’étudier de nombreux sujets, notamment ceux traités dans cette thèse. En effet, les instabilités, le rayonnement et le champ magnétique sont trois composantes dont l’évaluation est très compliquée dans de nombreux objets et processus astrophysiques : effondrement de nuages moléculaires et formation stellaire, rémanents de supernovæ, choc d’accrétion, jets d’étoiles jeunes, … Ces composantes ont donc tout à fait leur place dans des expériences d’astrophysique de laboratoire. Ces trois sujets de recherches forment donc le cœur battant du contenu de cette thèse.La considération simultanée, au moins deux à deux, du rayonnement, du champ magnétique et des instabilités reste encore partiellement inexplorée. De multiples expériences cherchant à mêler au moins deux des trois composantes phares de cette thèse ont récemment vu le jour. Cette pléthore de situations astrophysiques faisant intervenir ces trois composantes physiques et le manque d’expériences reproduisant leurs actions concomitantes ont motiver les travaux et études de cette thèse.Cette thèse propose donc d’explorer ces trois sujets de recherches grâce à l’analyse et à la préparation d’expériences sur des installations lasers à travers le monde. Notamment, nous présentons les résultats d’analyses d’expériences de chocs radiatifs faites sur le LULI2000 en France, sur GEKKO XII à Osaka (Japon) ainsi que sur le LMJ à Bordeaux (France). Une expérience sur les instabilités réalisée sur le XFEL de SACLA (Japon) sera également analysée et décortiquée. En sus, deux dimensionnements d’expériences destinées à être réalisées sur les installations laser de type LMJ et NIF seront aussi discutés et présentés. Une dernière partie résumera le développement ainsi que l’étude de sources x utilisées pour de la radiographie à haute résolution par projection de source ponctuelle mené en plusieurs campagnes sur le LULI2000. Ce travail est le moyen mis en œuvre par le CEA afin d'optimiser une telle source sur le laser PETAL (LMJ) s'inscrivant dans une chaine de calculs prédictifs utilisant les résultats obtenus dans cette thèse.

This thesis falls within the scope of a recent discipline: laboratory astrophysics. These two terms, whose combination is almost an oxymoron, can be linked thanks to the emergence of a new technology that will play the role of a bridge throughout this work: high-energy laser facilities. To understand the field of application of this new discipline, it is sufficient to dissect its name. Astrophysics seeks to explain the phenomena occurring in the universe. Despite making tremendous progress since the beginning of the last astrophysics remains heavily dependent on the observations and information that the universe provides us. In addition to this limited amount of information, the observed objects and processes appear to us as frozen in time. These are the disadvantages that laboratory astrophysics aims to counter. Indeed, in "laboratory astrophysics," there is "laboratory." And thanks to scaling laws, notion of similarity, and dimensionless numbers, it is possible to reproduce under controlled conditions in the laboratory phenomena that are more or less similar to astrophysical processes and bodies. This allows us to overcome problems of time and space scales by studying a process resembling an astrophysical phenomenon in its entirety or almost its entire evolution.To achieve this, it is necessary to subject matter to extreme conditions of temperature and pressure. This highly energetic regime of matter is described by a specific branch of physics called High Energy Density Physics (HEDP). More precisely, this field of physics refers to the science of a system that has an energy density exceeding 10^11 J.cm^-3, which corresponds for example to a pressure exceeding 1 Mbar. High-power laser facilities allow us to reach such regimes because, with a typical energy deposition volume of 1 mm^3, only 100 joules are needed to bring a system to the conditions relevant to HEDP. Considering that even the most modest facilities we will use (LULI2000, GEKKO XII, etc.) have multi-kilojoule capabilities we understand that these high-power laser facilities are suitable tools for our astrophysical aspirations.Controlled HEDP of laboratory astrophysics enables the study of numerous subjects including those addressed in this thesis. Instabilities, radiation, and magnetic fields are three components that are challenging to evaluate in many astrophysical objects and processes: the collapse of molecular clouds and star formation, supernova remnants, accretion shocks, young stellar jets, and more. These components have a significant place in laboratory astrophysics experiments. Thus, these three research topics form the beating heart of the content of this thesis.The consideration of radiation, magnetic fields, and instabilities together, at least two by two, remains partially unexplored. Multiple experiments aiming to combine at least two of the three key components of this thesis have recently emerged. The abundance of astrophysical situations involving these three physical components and the lack of experiments reproducing their concurrent actions have motivated the work and studies of this thesis.Therefore, this thesis aims to explore these three research topics through the analysis and preparation of experiments on laser facilities worldwide. Specifically, we will present the results of analyses of radiative shock experiments conducted at LULI2000 in France, GEKKO XII in Osaka (Japan), and LMJ in Bordeaux (France). An experiment on instabilities carried out at SACLA's XFEL (Japan) will also be analyzed and examined. Additionally, two experiment designs intended to be conducted at the LMJ and NIF laser facilities will be discussed and presented. A final section will summarize the development and study of X-ray sources used for high-resolution radiography by point-source projection conducted during multiple campaigns at LULI2000.