Laser-driven shocks of astrophysical interest
Chocs créés par laser d'intérêt astrophysique
Résumé
The huge progress made over the last decades in the development of high-power lasers has allowed the access, in the laboratory, to extreme physical conditions of astrophysical relevance. The so-called “laboratory astrophysics” is the field of study that focuses on the experimental investigation of astrophysical phenomena which, through the use of scaling laws, can be emulated in the laboratory. In particular, such experimental effort aims at filling the inevitable gaps in the measurements of remote astrophysical events, which are limited by the enormous time and space scales at play. Indeed, the in situ study of certain objects remains impossible due to the enormous distances that separate them from the Earth, while the characteristic time scales of many phenomena are very large with respect to the typical time scales of our observation capabilities, making it difficult to have a dynamical study on those systems.Thanks to the more recent big advancement of computational science, the domain of numerical simulations has been developing. These can represent an important tool, thanks to their controllability and reproducibility (in spite of high costs in terms of computational hours), as they can describe a system in details. Nevertheless, they need precise analytical models to be based on and hence to validate, which cannot be provided by limited and incomplete observations. Laboratory astrophysics plays then a crucial role in the effort to understand astrophysical systems out of reach and to fully interpret astronomical observations, as they allow for their (scaled) reproduction in a controlled and well-characterized way.This PhD work is focused on the study of collisionless shock waves, which are phenomena taking place in many astrophysical contexts, such as supernova explosions and bow shocks. They are held responsible for the production of energetic particles (cosmic rays), whose energization mechanisms are nowadays not fully understood. A shock can be seen as an abrupt change in some physical quantities describing the physical system, which in hydrodynamics is mediated by collisional effects that dissipate in heat the kinetic energy of the fluid crossing the shock. When such a transition occurs on length scales much smaller than a particle mean free path, we are dealing with a “collisionless shock wave”. In this case, such discontinuities can form through the emission and absorption of collective excitations of the plasma.Experiments performed at high-power laser facilities have been the main investigation tool. In particular, two scenarios have been explored: a single supercritical shock and the interpenetration of two subcritical shocks. Our data analysis has also been supported by PIC simulations, which, together with MHD simulations run in collaboration with CELIA, made us better understand the microphysics taking place in our experiments. Finally, our results are viewed in the astrophysical context, allowing us to determine the relevant astrophysical scenarios to which our laboratory laser-driven shocks can apply.
Les énormes progrès réalisés au cours des dernières décennies dans le développement des lasers de haute puissance ont permis d'accéder, en laboratoire, à des conditions physiques extrêmes d'intérêt astrophysique. L'astrophysique dite "de laboratoire" est le domaine d'étude qui se concentre sur l'investigation expérimentale des phénomènes astrophysiques qui, grâce à l'utilisation de lois d'échelle, peuvent être émulés en laboratoire. En particulier, cet effort expérimental vise à combler les lacunes inévitables dans les mesures des événements astrophysiques lointains, qui sont limitées par les énormes échelles de temps et d'espace en jeu. En effet, l'étude in situ de certains objets reste impossible en raison des énormes distances qui les séparent de la Terre, tandis que les échelles de temps caractéristiques de nombreux phénomènes sont très grandes par rapport aux échelles de temps typiques de nos capacités d'observation, rendant difficile une étude dynamique de ces systèmes.Grâce aux progrès récents de la science informatique, le domaine des simulations numériques s'est développé. Celles-ci peuvent représenter un outil important, grâce à leur contrôlabilité et leur reproductibilité (malgré des coûts élevés en termes d'heures de calcul), car elles peuvent décrire un système en détail. Néanmoins, ils ont besoin de modèles analytiques précis sur lesquels se baser et donc à valider, ce qui ne peut être fourni par des observations limitées et incomplètes. L'astrophysique de laboratoire joue donc un rôle crucial dans l'effort de compréhension des systèmes astrophysiques hors de portée et dans l'interprétation complète des observations astronomiques, car elle permet de les reproduire (à l'échelle) de manière contrôlée et bien caractérisée.Ce travail de thèse est axé sur l'étude des ondes de choc sans collisions, qui sont des phénomènes se produisant dans de nombreux contextes astrophysiques, tels que les explosions de supernova et les arcs de choc. Elles sont tenues pour responsables de la production de particules énergétiques (rayons cosmiques), dont les mécanismes d'énergisation ne sont aujourd'hui pas entièrement compris. Un choc peut être considéré comme un changement abrupt de certaines quantités physiques décrivant le système physique, qui, en hydrodynamique, est médié par des effets de collision qui dissipent en chaleur l'énergie cinétique du fluide traversant le choc. Lorsqu'une telle transition se produit sur des échelles de longueur beaucoup plus petites que le libre parcours moyen d'une particule, nous avons affaire à une "onde de choc sans collisions". Dans ce cas, de telles discontinuités peuvent se former par l'émission et l'absorption d'excitations collectives du plasma.Les expériences réalisées dans des installations laser de haute puissance ont été le principal outil d'investigation. En particulier, deux scénarios ont été explorés : un seul choc supercritique et l'interpénétration de deux chocs sous-critiques. L'analyse de nos données a également été soutenue par des simulations PIC, qui, avec les simulations MHD réalisées en collaboration avec le CELIA, nous ont permis de mieux comprendre la microphysique qui se déroule dans nos expériences. Enfin, nos résultats sont considérés dans le contexte astrophysique, ce qui nous permet de déterminer les scénarios astrophysiques pertinents auxquels les chocs créés par laser de notre laboratoire peuvent s'appliquer.
Origine : Version validée par le jury (STAR)