Des ondes de choc extrêmes dans l'Univers violent
Publié par Redbran le 31/08/2019 à 14:00
Source: CEA

© NSF/LIGO/Sonoma State University/A. Simonnet
Les manifestations les plus énergétiques de l'Univers engendrent des ondes de choc animées à des vitesses proches de celles de la lumière. Celles-ci accélèrent des particules chargées jusqu'à de très hautes énergies, qui à leur tour produisent un rayonnement électromagnétique (Un rayonnement électromagnétique désigne une perturbation des champs électrique et magnétique.) intense, observé de longue date. Le mécanisme physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la « science de la nature ». Dans un sens général et ancien, la physique désigne la...) qui sous-tend ces phénomènes demeure l'une des grandes énigmes de la physique des plasmas. Dans une étude à paraître dans la revue Physical Review Letters, une équipe de chercheurs français lève en partie le voile sur ce problème. Ils proposent un modèle théorique détaillé de la structure de ces ondes de choc (Dès que deux entitées interagissent de manière violente, on dit qu'il y a choc, que ce soit de civilisation ou de particules de hautes énergies.) "relativistes, non magnétisées et sans collisions", qu'ils corroborent par des simulations numériques de pointe. Ce travail fournit un modèle théorique de fond pour l'astrophysique des hautes énergies (L’astrophysique des hautes énergies est la science qui étudie les objets astrophysiques tels que les trous noirs, naines blanches, pulsars, novae, quasars, microquasars, galaxies de Seyfert, sursauts gamma...) et pour l'astrophysique (L’astrophysique (du grec astro = astre et physiqui = physique) est une branche interdisciplinaire de l'astronomie qui concerne principalement la physique et l'étude des propriétés des objets...) de laboratoire.

Le rayonnement multimessager de l'Univers (L'Univers est l'ensemble de tout ce qui existe et les lois qui le régissent.)

Les sources les plus énergétiques de notre Univers, tels les sursauts gamma, les coalescences d'étoiles à neutrons, les nébuleuses de pulsar (Un pulsar, dont le nom provient de l'abréviation de pulsating radio source (source radio pulsante), est le nom donné à une étoile à neutrons tournant très rapidement sur elle-même (période typique de l'ordre de la seconde, voire...) ou encore les blazars, agissent comme des "accélérateurs de particules cosmiques". Les particules accélérées, électrons ou ions, induisent, par divers processus connus, un rayonnement électromagnétique intense, ainsi que la production de rayons cosmiques et de neutrinos. L'étude de tous ces signaux et de l'émission conjointe d'ondes gravitationnelles forme le coeur de cette science (La science (latin scientia, « connaissance ») est, d'après le dictionnaire Le Robert, « Ce que l'on sait pour l'avoir appris, ce que l'on tient pour...) émergente qu'est l'astrophysique "multimessager".



Figure 1: Vue d'artiste (Est communément appelée artiste toute personne exerçant l'un des métiers ou activités suivantes :) de la coalescence de deux étoiles à neutrons, donnant lieu à l'émission d'ondes gravitationnelles et à un jet de plasma ( En physique, le plasma décrit un état de la matière constitué de particules chargées (d'ions et d'électrons). Le plasma quark-gluon est un plasma qui constituerait les grandes étoiles...) relativiste le long de l'axe de symétrie, précédé d'une onde de choc (Une onde de choc est un type d'onde, mécanique ou d'une autre nature, associé à l'idée d'une transition brutale. Elle peut prendre la forme d'une vague de haute pression, et elle est alors souvent...).
© NSF/LIGO/Sonoma State University/A. Simonnet


Dans ce contexte (Le contexte d'un évènement inclut les circonstances et conditions qui l'entourent; le contexte d'un mot, d'une phrase ou d'un texte inclut les...), il est utile de prendre un compte une caractéristique commune à ces sources: les ondes de choc, qui sont connues pour être d'efficaces accélérateurs de particules. Produites suite à la libération d'une grande quantité (La quantité est un terme générique de la métrologie (compte, montant) ; un scalaire, vecteur, nombre d’objets ou d’une autre manière de dénommer la valeur d’une collection ou un...) d'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.) dans un volume (Le volume, en sciences physiques ou mathématiques, est une grandeur qui mesure l'extension d'un objet ou d'une partie de l'espace.) réduit, elles forment l'interface (Une interface est une zone, réelle ou virtuelle qui sépare deux éléments. L’interface désigne ainsi ce que chaque élément a besoin de...) entre les jets de plasma émis et le milieu ambiant. Celles associées aux sources les plus énergétiques sont dites relativistes car elles se meuvent à une vitesse (On distingue :) proche de celle de la lumière (La lumière est l'ensemble des ondes électromagnétiques visibles par l'œil humain, c'est-à-dire comprises dans des longueurs d'onde de 380nm (violet) à 780nm (rouge). La...).

Si à l'échelle macroscopique, il est aisé de considérer qu'une fraction de l'énergie de l'onde (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation réversible de propriétés physiques locales. Elle transporte de l'énergie sans transporter de matière.) est cédée au gaz (Un gaz est un ensemble d'atomes ou de molécules très faiblement liés et quasi-indépendants. Dans l’état gazeux, la matière n'a pas de forme propre ni de volume propre : un gaz tend...) de particules, accélérant ainsi ces dernières, les choses se compliquent à l'échelle microscopique. L'accélération (L'accélération désigne couramment une augmentation de la vitesse ; en physique, plus précisément en cinématique, l'accélération est une...) de particules résulte en effet de champs électriques produits au voisinage (La notion de voisinage correspond à une approche axiomatique équivalente à celle de la topologie. La topologie traite plus naturellement les notions globales comme la continuité qui...) de l'onde (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation réversible des propriétés physiques locales. Elle transporte de...) de choc par des mécanismes mal connus et toujours débattus. De même, la physique de l'onde de choc est sujette à controverse dans de nombreuses communautés: physique fondamentale (En musique, le mot fondamentale peut renvoyer à plusieurs sens.) des plasmas, physique des plasma spatiaux, astrophysique des hautes énergies.

Ondes de choc relativistes et sans collisions

Par définition (Une définition est un discours qui dit ce qu'est une chose ou ce que signifie un nom. D'où la division entre les définitions réelles et les définitions nominales.), une onde de choc sépare deux milieux de conditions physiques différentes: l'un choqué, l'autre non choqué. Dans des conditions usuelles, les collisions entre particules assurent la transition entre les deux milieux. Rares et inefficaces dans un environnement (L'environnement est tout ce qui nous entoure. C'est l'ensemble des éléments naturels et artificiels au sein duquel se déroule la vie humaine. Avec les enjeux écologiques actuels, le terme environnement tend actuellement...) astrophysique, ces collisions laissent place à des interactions entre les particules et une turbulence (La turbulence désigne l'état d'un fluide, liquide ou gaz, dans lequel la vitesse présente en tout point un caractère tourbillonnaire : tourbillons dont la...) électromagnétique, transportée à grande vitesse par l'onde de choc dans le plasma ambiant. Ce "front électromagnétique" chauffe et comprime le plasma, tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) en accélérant une fraction de ses particules. Aussi est-il nécessaire de maîtriser la physique des ondes de choc pour comprendre le phénomène de l'accélération, et vice versa.

La structure d'une onde de choc électromagnétique "sans collisions" peut se résumer ainsi: l'interaction (Une interaction est un échange d'information, d'affects ou d'énergie entre deux agents au sein d'un système. C'est une action réciproque qui suppose l'entrée en contact de sujets.) des particules accélérées avec le plasma ambiant excite des instabilités électromagnétiques, à l'origine d'une turbulence à petite échelle dans le précurseur du choc. En diffusant au sein de cette turbulence, le plasma ambiant chauffe et se met en mouvement. Quelques-unes de ses particules sont portées à haute énergie, ce qui permet de garder à niveau le réservoir de particules accélérées dans le précurseur du choc, y entretenant ainsi la turbulence nécessaire à la pérennité du choc.

Un modèle pour les ondes de choc astrophysiques

Une équipe française a élaboré un modèle théorique détaillé de la physique de ces ondes de choc astrophysiques. Pour la première fois sont mis au jour (Le jour ou la journée est l'intervalle qui sépare le lever du coucher du Soleil ; c'est la période entre deux nuits, pendant laquelle les rayons du Soleil...) les différents mécanismes de génération de la turbulence, d'interaction de celle-ci avec le plasma ambiant, et d'injection (Le mot injection peut avoir plusieurs significations :) des particules dans le processus d'accélération. Ce modèle s'appuie sur la caractérisation d'un référentiel jusqu'alors non identifié, dans lequel la turbulence se réduit à des fluctuations magnétiques. Quoiqu'il permette de décrire relativement simplement l'interaction entre particules et turbulence, ce référentiel n'est pas inertiel, car sa vitesse varie en fonction de la distance au choc. En modélisant la dynamique (Le mot dynamique est souvent employé désigner ou qualifier ce qui est relatif au mouvement. Il peut être employé comme :) du plasma dans la turbulence, et en tenant compte des effets relativistes non-inertiels, les chercheurs sont parvenus à démontrer comment le plasma est mis en mouvement et chauffé par le choc.


Figure 2: Agrandissement d'une simulation numérique à deux dimensions (Dans le sens commun, la notion de dimension renvoie à la taille ; les dimensions d'une pièce sont sa longueur, sa largeur et sa profondeur/son épaisseur, ou bien son diamètre si c'est...) spatiales de la dynamique d'une onde de choc sans collisions et non magnétisée. Dans chaque boîte, le panneau supérieur montre l'amplitude (Dans cette simple équation d’onde :) de la composante hors du plan du champ magnétique (En physique, le champ magnétique (ou induction magnétique, ou densité de flux magnétique) est une grandeur caractérisée par la donnée d'une intensité et d'une...), le panneau du bas la densité (La densité ou densité relative d'un corps est le rapport de sa masse volumique à la masse volumique d'un corps pris comme référence. Le corps de référence est...) de particules du plasma ambiant. Le front de choc se situe en x=0 et se propage vers la droite: au bord droit de la boîte du haut, le plasma est non choqué, le champ (Un champ correspond à une notion d'espace défini:) magnétique est nul. Aux valeurs x<0, le plasma est choqué, une turbulence magnétique est persistante. Dans la zone intermédiaire, l'interaction entre les particules accélérées (non visibles ici) et le plasma ambiant engendre la turbulence magnétique, fabrique le choc et accélère les particules. c/ωp représente l'échelle de peau du plasma.
(c) Arno Vanthieghem (IAP, ILP).


Ce modèle a par la suite été corroboré par une comparaison détaillée à des simulations numériques de type particle-in-cell, qui reproduisent, à partir des principes premiers, une onde de choc relativiste et sans collisions, ainsi que les processus d'accélération qui y surviennent. Réalisées à l'aide du code CALDER développé au CEA sur le supercalculateur Curie-NF du Très grand centre de calcul (TGCC), grâce à une allocation du Grand équipement national de calcul intensif (GENCI), ces simulations ont nécessité un total ( Total est la qualité de ce qui est complet, sans exception. D'un point de vue comptable, un total est le résultat d'une addition, c'est-à-dire une somme. Exemple : "Le total des dettes". En physique le total n'est pas...) de 9 millions d'heures (L'heure est une unité de mesure  :) de calcul (voir Fig. 2).

Références

Martin Lemoine, Laurent Gremillet, Guy Pelletier, Arno Vanthieghem: "Physics of Weibel- mediated relativistic collisionless shocks", Physical Review Letters 123, 035101 (2019)

Guy Pelletier, Laurent Gremillet, Arno Vanthieghem, Martin Lemoine: "On the physics of relativistic collisionless shocks: The scattering center frame", Physical Review E100, 013205 (2019)

Martin Lemoine, Arno Vanthieghem, Laurent Gremillet, Guy Pelletier: "On the physics of relativistic collisionless shocks: II Dynamics of the background plasmas", à paraître dans Physical Review E

Martin Lemoine, Guy Pelletier, Arno Vanthieghem, Laurent Gremillet: "On the physics of relativistic collisionless shocks: III The suprathermal particles", à paraître dans Physical Review E

Arno Vanthieghem, Laurent Gremillet, Martin Lemoine, Guy Pelletier: "On the physics of relativistic collisionless shocks: IV The microturbulence", en préparation (2019).
Page générée en 0.422 seconde(s) - site hébergé chez Amen
Ce site fait l'objet d'une déclaration à la CNIL sous le numéro de dossier 1037632
Ce site est édité par Techno-Science.net - A propos - Informations légales
Partenaire: HD-Numérique