Simulation des instabilités Weibel dans des plasmas d'électrons et de positrons en régime relativiste

Simulation of Weibel instabilities in relativistic plasmas with electrons-positrons pairs

• Auteur / Autrice : Charles Lanher
• Direction : Alain Ghizzo
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Physique
• Date : Inscription en doctorat le 05/10/2024
• Etablissement(s) : Université de Lorraine
• Ecole(s) doctorale(s) : C2MP - CHIMIE MECANIQUE MATERIAUX PHYSIQUE
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : IJL - INSTITUT JEAN LAMOUR
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : DEPARTEMENT 1 - P2M : Physique de la Matière et des Matériaux

Mots clés

Mots clés libres

Instabilités faisceau-plasma

Auto-organisation des plasmas

Codes PIC SMILEI and VLEM

Physique des plasmas

Mathématiques appliquées

Recherche en astrophysique

Instabilities beam-plasma

Self-organization in plasmas

Codes PIC SMILEI and VLEM

Plasmas physics

Applied mathematics

Research in astrophysics

Résumé

Le quatrième état de la matière appelé plasma est constitué d'électrons et d'ions libres qui sont régis en grande partie par des lois physiques connues des physiciens de la fin du XIXème siècle. Cependant, le comportement des plasmas est plutôt complexe en raison de la dynamique du grand nombre de particules chargées qui interagissent à la fois entre elles et avec des champs électromagnétiques externes tout en étant généralement loin de l'équilibre thermodynamique. En raison de la non-linéarité, de l'auto-organisation, du comportement collectif et des interactions multi-échelle qui entrent en jeu, cette interaction entre particules et ondes reste aujourd'hui incomprise malgré qu'elle puisse être décrite en termes de processus universels connus (chocs, turbulence, reconnexion magnétique). De ce fait, des questions fondamentales de la physique des plasmas restent aujourd'hui sans réponse, et il est donc difficile de modéliser des systèmes de plasma beaucoup plus complexes comme ceux observés en astrophysique dans des conditions extrêmes où les effets cinétiques, relativistes et collectifs sont dominants. Dans un avenir proche, des laboratoires spécialisés en physique des plasmas se doteront de nouvelles infrastructures qui produiront des laser d'intensités extrêmes et seront donc capables de reproduire des phénomènes physiques dans des conditions extrêmes. Pour pouvoir réaliser dans les meilleures conditions ces futurs expériences, il est impératif de faire progresser les connaissances actuelles sur les plasmas relativistes de sorte à pouvoir modéliser ces derniers. Le travail de cette thèse propose de faire avancer ces connaissances en utilisant des outils numériques et en examinant des aspects fondamentaux mal compris des processus de conversion entre différentes formes d'énergie. Sachant que des observations d'évènements caractérisés par des faisceaux de plasma tel que les éruptions solaires, jets, et sursauts gamma, exigent de mieux connaitre les mécanismes de conversion d'énergie, nous simuleront numériquement donc des instabilités faisceau-plasma de type Weibel qui sont impliquées dans la reconnexion magnétique considérée comme candidat potentiel des mécanismes de conversion d'énergie. Deux points non compris aujourd'hui impliquant la reconnexion seront donc particulièrement examinés: il s'agit de l'auto-organisation magnétique des plasmas et de la physique des plasmas de paires électron-positron relativistes. Les simulations numériques des instabilités utiliseront le modèle cinétique caractérisé par le couplage des équations de Vlasov et de Maxwell, et nous comparerons ces simulations entre-elles avec deux différents codes numériques: le code Particle-in-Cell SMILEI utilisant l'approche lagrangienne, et le code VLEM qui a une méthode hybride semi-lagrangienne à caractéristiques eulériennes et lagrangiennes. L'exploitabilité de ces codes numériques pour le travail de cette thèse étant entravée par les limitations actuelles des ordinateurs à haute performance, notre stratégie pour surmonter ces difficultés est d'exploiter un nombre croissant de processeurs avec une mémoire réduite par processeur. A cette fin, les codes seront exécutés sur les installations HPC de GENCI. Le travail de cette thèse sera principalement réparti en trois tâches. La première tâche sera de prendre en main les deux différents codes numériques afin de simuler les instabilités de type Weibel en régime relativiste, et d'étudier l'auto-organisation du plasma. Puis, la dynamique des positrons devant être prise en compte dans les simulations d'instabilités, la deuxième tâche sera donc d'implémenter les positrons dans le code VLEM (le code SMILEI inclut déjà les positrons). Finalement, des comparaisons d'expériences numériques entre les deux codes seront à faire afin d'étudier la physique fondamentale de la reconnexion magnétique dans les plasmas relativistes constitués de paires d'électron-positron.

The fourth state of matter called plasma is constituted of free electrons and ions which are governed by laws of physics known to physicists at the end of the 19th century. However, the plasmas behaviour is more complex due to dynamic of the many charged particles which interact between themselves with externals electromagnetic fields and generally with no thermodynamic equilibrium. Because of nonlinearity, self-organization, collective behaviour and multi-scale interactions, this interaction between particles and waves remains today misunderstood although it can be described with known universal processes (shocks, turbulences, magnetic reconnexions). For this reason, fundamental questions of plasmas physic remain unanswered, and it is therefore difficult to model much more complex system of plasma like those observed in astrophysics within extreme conditions where kinetic, relativistic and collective effects are dominant. In the near future, laboratories specialized in plasma physics will produce extreme intensity laser with new infrastructures and they could be therefore able to reproduce physical phenomena in extreme conditions. To be able to realize these future experiments in optimum conditions, it is imperative to advance current knowledges of relativistic plasmas physics/modelling. The work of this thesis proposes to advance these knowledges by using numerical tools and by exploring misunderstood fundamental aspect of conversion processes between different energy forms. Because astrophysics observations of events characterized by plasmas beam like solar flare, jet and gamma-ray burst, require better knowing of energy conversion mechanisms, we will simulate numerically instabilities of Weibel which are implicated in magnetic reconnexion, a potential candidate of energy conversion mechanisms. We will thus study two points involving reconnexion which are not currently understood: magnetic self-organization in plasmas, and relativistic plasmas constituted of electron-positron pairs. The numerical simulations of instabilities will use kinetic model characterized by the coupling of the equations of Vlasov and Maxwell, and we will compare these simulations by using two different numerical codes: the code Particle-in-Cell SMILEI using lagrangian approach, and the code VLEM which has hybrid semi-lagrangian method with certain lagrangian and eulerian characteristics. The exploitability of these numerical codes for this thesis work are hindered by the current limitations of high-performance computers, our strategy to overcome these difficulties is to use a growing number of processors with a reduced memory for each processor: we will therefore execute the codes on the high-performance computing installations of GENCI. The work will have three principally tasks. The first task is to study magnetic self-organization by simulating the instabilities of Weibel in relativistic regime with the codes SMILEI and VLEM. Then, it will be necessary to add positrons dynamics in the simulations of instabilities, we will therefore implement positrons in VLEM code (The code SMILEI include already positrons). Finally, numerical experiments comparisons between the two codes will have to be done to investigate fundamental physics of magnetic reconnexion in relativistic plasmas constituted of electron-positron pairs.