Caractéristiques de la dissipation turbulente dans le milieu interstellaire

Characteristics of turbulent dissipation in the interstellar medium

• Auteur / Autrice : Thibaud Richard
• Direction : Pierre Lesaffre
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Astronomie et Astrophysique
• Date : Soutenance le 30/03/2022
• 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 de physique de l'ENS (Paris ; 2019-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Observatoire de Paris (1667-....)
• Jury : Président / Présidente : Olga Alexandrova
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Pierre Lesaffre, Thierry Passot, Geoffroy Lesur, Marc-Antoine Miville-Deschênes, Katia Ferrière
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Thierry Passot, Geoffroy Lesur

Mots clés

Mots clés contrôlés

Dissipation d'énergie

Turbulence

Matière interstellaire

Mots clés libres

Milieu interstellaire

Numérique

Dissipation

Numerics

Turbulence

Dissipation

Résumé

La turbulence affecte toutes les facettes de la physique du milieu interstellaire (MIS), ses changements de phase, son évolution chimique, son couplage au champ magnétique et aux rayons cosmiques, jusqu'à la formation d'étoiles.L'absence d'une description mathématique exacte et l'impossibilité pour les simulations de reproduire toute la gamme inertielle entre les échelles d'injection et de dissipation rendent son rôle difficile à appréhender. Une facette essentielle de la turbulence est l'intermittence spatio-temporelle de la cascade d'énergie qui conduit à la formation de structures cohérentes de forte dissipation. Ces régions se distinguent dans le MIS diffus par une chimie particulière, dite "chaude", qui permet de les tracer. Nous cherchons à étudier de façon systématique la nature physique des régions de dissipation intense dans la turbulence magnétohydrodynamique (MHD). Nous sondons la dissipation turbulente à l'aide de simulations de turbulence MHD isotherme compressible en déclin. Nous apportons un soin tout particulier à la résolution et au contrôle de la dissipation : nous concevons des méthodes pour récupérer localement la dissipation due au schéma numérique. Nous étudions localement la géométrie des gradients des variables d'état du fluide. Nous développons une méthode pour évaluer la nature physique des gradients dominants dans les discontinuités. Ceci nous permet, conjointement à des critères heuristiques, de les identifier, ainsi que d'estimer leur vitesse de déplacement. Enfin, nous étudions leurs statistiques.Nous trouvons que les régions de dissipation intense correspondent à des feuilles : localement, la densité, la vitesse et les champs magnétiques varient principalement dans une seule direction. Nous identifions ces régions hautement dissipatives comme des chocs (fast ou slow) ou des discontinuités Alfvéniques (nappes de Parker ou discontinuités rotationnelles). Nous étudions l'effet des conditions initiales qui produisent aux temps courts des empreintes différentes sur les distributions relatives entre ces quatre catégories. Cependant, ces différences s'estompent après environ un temps de retournement, quand elles deviennent dominées par des discontinuités Alfvéniques faiblement compressibles. Nous montrons que le nombre de Prantdl magnétique a peu d'influence sur les statistiques de ces discontinuités. Mais il modifie la nature de la dissipation dans les différentes structures. Enfin, nous montrons que la structure interne des discontinuités nous permet de faire des prédictions sur les variations des hélicités croisée et magnétique. Ces nouvelles méthodes permettent de considérer la turbulence compressible développée comme une collection statistique de structures dissipatives intenses. Ceci peut être utilisé pour post-traiter la turbulence 3D avec des modèles 1D détaillés aptes à être comparés aux observations. Cette vision pourrait également être utile comme cadre pour formuler de nouvelles propriétés dynamiques de la turbulence.

Turbulence affects all facets of the physics of the interstellar medium (ISM), its phase changes, its chemical evolution, its coupling to the magnetic field and cosmic rays, and even star formation.The absence of an exact mathematical description and the impossibility for simulations to reproduce the whole inertial range between the injection and dissipation scales make its role difficult to understand. An essential facet of turbulence is the spatio-temporal intermittency of the energy cascade which leads to the formation of coherent structures of high dissipation. These regions are distinguished in the diffuse MIS by a particular, so-called "hot" chemistry that allows them to be traced.We seek to systematically study the physical nature of regions of intense dissipation in magnetohydrodynamic (MHD) turbulence. We probe turbulent dissipation using simulations of decaying isothermal compressible MHD turbulence. We take particular care in solving and controlling the dissipation: we design methods to locally recover the dissipation due to the numerical scheme. We study locally the geometry of the gradients of the fluid state variables. We develop a method to evaluate the physical nature of the dominant gradients in the discontinuities. This allows us, together with heuristic criteria, to identify them, as well as to estimate their displacement speed. Finally, we study their statistics.We find that regions of high dissipation correspond to sheets: locally, the density, velocity and magnetic fields vary mainly in one direction. We identify these highly dissipative regions as shocks (fast or slow) or Alfvénic discontinuities (Parker sheets or rotational discontinuities). We study the effect of initial conditions that produce different footprints at short times on the relative distributions between these four categories.However, these differences fade after about one turnover time, when they become dominated by weakly compressible Alfvénic discontinuities. We show that the magnetic Prantdl number has little influence on the statistics of these discontinuities. However, it modifies the nature of the dissipation in the different structures. Finally, we show that the internal structure of the discontinuities allows us to make predictions on the variations of the cross and magnetic helicities.These new methods allow to consider developed compressible turbulence as a statistical collection of intense dissipative structures. This can be used to post-process the 3D turbulence with detailed 1D models that can be compared to observations. This view could also be useful as a framework for formulating new dynamical properties of the turbulence.