Des ondes de choc extrêmes dans l'Univers violent
Des chercheurs français développent, pour la première fois, une vision théorique de la physique des ondes de choc extrêmes qui donnent lieu à certaines des manifestations les plus saisissantes de l'Univers de haute énergie.
L'explosion des étoiles supermassives, la coalescence d'étoiles à neutrons, ou les jets émis par les systèmes de trous noirs massifs, tous produisent des éjections de matière à très grande vitesse, précédées d'ondes de choc. Ces chocs n'ont cependant rien à voir avec ceux que nous connaissons sur Terre. Dans les milieux astrophysiques dilués, ils sont portés par un front électromagnétique intense et turbulent, et ils se meuvent à une vitesse proche de celle de la lumière. Ces conditions extrêmes permettent de produire un rayonnement de très haute énergie, observé de longue date. La physique de ces "ondes de choc relativistes et sans collisions" constitue encore toutefois une grande énigme de la physique des plasmas et de l'astrophysique. Cette étude offre, pour la première fois, une description théorique détaillée du cœur de ces phénomènes, qu'elle corrobore à l'aide de simulations numériques de pointe. Elle révèle comment le front turbulent se construit, comment il conduit à choquer le plasma, et comment il permet l'accélération de particules chargées, qui produisent à leur tour le rayonnement observé. Ce travail fournit donc un modèle théorique de fond pour l'astrophysique des hautes énergies et pour l'astrophysique de laboratoire.
Figure : agrandissement d'une simulation numérique à deux dimensions spatiales de la dynamique d'une onde de choc sans collisions et non magnétisée. Dans chaque boîte, le panneau supérieur montre l’amplitude de la composante hors du plan du champ magnétique, le panneau du bas la densité 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 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. © Arno Vanthieghem (IAP, ILP).
Références
Martin Lemoine, Laurent Gremillet, Guy Pelletier, Arno Vanthieghem, The physics of Weibel-mediated relativistic collisionless shocks, à paraître dans Physical Review Letters.
Guy Pelletier, Laurent Gremillet, Arno Vanthieghem, Martin Lemoine, On the physics of relativistic collisionless shocks: I The scattering center frame, à paraître dans Physical Review E.
Martin Lemoine, Arno Vanthieghem, Laurent Gremillet, Guy Pelletier, On the physics of relativistic collisionless shocks: II Dynamics of the background plasmas, soumis à Physical Review E.
Martin Lemoine, Guy Pelletier, Arno Vanthieghem, Laurent Gremillet, On the physics of relativistic collisionless shocks: III The suprathermal particles, soumis à Physical Review E.
Arno Vanthieghem, Laurent Gremillet, Martin Lemoine, Guy Pelletier, On the physics of relativistic collisionless shocks: IV The microturbulence, en préparation.