Modélisation de la formation des magnétars

Modelling magnetar formation

• Auteur / Autrice : Paul Barrère
• Direction : Jérôme Guilet, Raphaël Raynaud
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Astronomie et Astrophysique
• Date : Soutenance le 05/09/2024
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : Astronomie et Astrophysique d'Ile de France
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Astrophysique Instrumentation Modélisation (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 2005-....)
• Partenaire(s) de recherche : référent : Faculté des sciences d'Orsay
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Physique (2020-....)
• Jury : Président / Présidente : Geoffroy Lesur
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Laurène Jouve, Jose A. Pons, Nanda Rea, Samuel Lander
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Laurène Jouve, Jose A. Pons

Mots clés

Mots clés contrôlés

Supernovae

Magnétars

Sursauts gamma

Théorie dynamo (physique spatiale)

Magnétohydrodynamique

Simulation par ordinateur

Mots clés libres

Simulations numériques

Magnétohydrodynamique

Sursauts gamma

Étoile à neutrons

Supernovae

Ondes gravitationnelles

Neutron stars

Magnetohydrodynamics

Gravitational waves

Supernovae

Numerical simulations

Gamma-Ray bursts

Résumé

Les magnétars sont des jeunes étoiles à neutrons isolées qui arborent les champs magnétiques les plus intenses observés dans l'Univers, avec un dipôle à la surface atteignant des intensités allant jusqu'à SI{2e15}{G}. La dissipation de leurs champs magnétiques extrêmes est à l'origine d'un large éventail d'émissions à hautes énergies, allant des sursauts courts aux éruptions géantes, qui sont les événements les plus lumineux observés dans la Voie lactée. Associés à une rotation rapide, les magnétars peuvent être le moteur central d'explosions plus énergétiques que les supernovae à effondrement de cœur classiques, telles que les hypernovae et les supernovae superlumineuses. La formation du champ magnétique des magnétars est encore une question ouverte mais est cruciale pour comprendre ces événements lumineux. L'amplification du champ magnétique par effet dynamo dans la proto-étoile à neutrons est un mécanisme prometteur pour générer des champs magnétiques ultra-forts dans les progéniteurs en rotation rapide. Cependant, la fraction de progéniteurs avec un cœur en rotation rapide est assez grande pour expliquer l'ensemble de la population des magnétars est encore incertaine.L'objectif principal de cette thèse est d'étudier un nouveau scénario de formation des magnétars dans lequel le champ magnétique est amplifié par la dynamo the Tayler-Spruit dans une proto-étoile à neutrons accélérée par emph{fallback}. En établissant un modèle semi-analytique de ce scénario nous trouvons que des champs magnétiques aussi intenses que celui des magnétars peuvent être générés pour une proto-étoile à neutrons accélérée jusqu'à des périodes de rotation de $lesssimSI{28}{ms}$, correspondant à des masses accrétées de $gtrsimSI{1.1e-2}{M_{odot}}$. Pour étudier la nature de la dynamo en détail, nous avons réalisé ensuite des simulations numériques d'un modèle simplifié d'intérieur de proto-étoile à neutrons. Ces simulations démontrent l'existence de la dynamo de Tayler-Spruit. Celle-ci peut adopter différents comportements allant de champs magnétiques à grande échelle hémisphériques et oscillants à un champ magnétique toroïdal à grande échelle stationnaire qui est symétrique par rapport à l'équateur. Ces dynamiques sont bien expliquées par la brisure de la symétrie équatoriale de l'écoulement. La dynamo de Tayler-Spruit stationnaire arbore les champs magnétiques les plus intenses et est la plus pertinente pour les magnétars. Une étude numérique approfondie de cette dynamo a montré qu'elle peut former des champs magnétiques de l'ordre de ceux des magnétars classiques pour des périodes de rotation de $lesssimSI{6}{ms}$, ce qui est cinq fois plus petit que la limite prédite par le modèle semi-analytique.Enfin, en collaboration avec Andrei Igoshev, nous étudions numériquement l'évolution à long terme d'un champ magnétique généré par la dynamo de Tayler-Spruit. Les champs magnétiques arborent un faible dipôle magnétique mais reproduisent les sursauts courts observés dans les magnétars via des ruptures de la croûte et les courbes de lumière de certains magnétars ayant un faible dipôle. De plus, l'évolution couplée du magnétar avec le disque venant du emph{fallback} peut expliquer la période de rotation lente de ces magnétars. Ces résultats montrent que nôtre scénario explique bien l'origine des magnétars à faible dipôle. Au delà d'apporter un compréhension approfondie de la dynamo de Tayler-Spruit, notre travail montre ainsi que notre scénario est prometteur pour expliquer au moins une partie de la population des magnétars.

Magnetars are isolated young neutron stars harbouring the strongest magnetic fields observed in the Universe, with a surface dipole reaching strengths up to SI{2e15}{G}. The dissipation of their extreme magnetic fields powers a wide range of highly-energy events from bursts to giant flares, which are the most luminous events observed in the Milky Way. Combined with a fast rotation, magnetars may be the central engine of explosions more energetic than typical core-collapse supernovae, such as hypernovae and superluminous supernovae. The formation of magnetar magnetic fields remains a debated question but is crucial to understand these luminous events. Magnetic field amplification by dynamo action in the proto-neutron star is a promising mechanism to generate ultra-strong magnetic fields in fast-rotating progenitors. However, it is uncertain whether the fraction of progenitors harbouring fast core rotation is sufficient to explain the entire magnetar population. The main objective of this thesis is to investigate a new scenario for magnetar formation in which the magnetic field is amplified by the Tayler-Spruit dynamo in a proto-neutron star spun up by fallback. By deriving first a semi-analytical modelling of the scenario, we find that magnetar-like magnetic fields can be generated for a proto-neutron star spun up to rotation periods of $lesssimSI{28}{ms}$, corresponding to accreted masses of $gtrsimSI{1.1e-2}{M_{odot}}$. Then, to study in the nature of this dynamo, we performed direct numerical simulations of a simplified model of a proto-neutron star interior. We report the existence of the Tayler-Spruit dynamo, which can harbour different dynamical states from hemispherical and reversing large-scale magnetic fields to a steady equatorially symmetric large-scale toroidal field. This complex dynamics is well explained by the breaking of the flow's equatorial symmetry. The steady Tayler-Spruit dynamo harbours the strongest magnetic fields and is the most relevant for magnetars. An extended numerical study of this dynamo showed that it can form classical magnetars for rotation periods of $lesssimSI{6}{ms}$, which is five times smaller than the limit predicted by the semi-analytical model.Finally, in collaboration with Andrei Igoshev, we numerically investigate the long-term evolution of a magnetic field generated by the Tayler-Spruit dynamo. The magnetic fields harbour a low magnetic dipole but can produce the observed magnetar bursts via crust failures and reproduce the quiescent light curves of some magnetars with low-magnetic dipoles. Moreover, the coupled evolution of the magnetar with the fallback disk can explain the slow rotation period of these magnetars. These results suggest that our scenario explains well the origin of low-magnetic dipole magnetars. Beyond providing a deepened understanding of the Tayler-Spruit, our work show that our scenario is promising since it may explain the formation of a fraction of the magnetar population.