Chocs non-collisionnel non-relativiste en l'astrophysique de laboratoire

Abstract

Les chocs sans collision sont omniprésents dans l'Univers, notamment dans les restes de supernova, et sont formés via diverses instabilités plasmas dépendant essentiellement de la vitesse et de la magnétisation des flux de plasmas. La description de tels chocs nécessite une approche cinétique, tant analytique que numérique.Dans cette thèse, nous avons étudié, au travers de simulations Particle-In-Cell (PIC), les processus sous-jacents par lesquels les instabilités rentrent en compétition les unes avec les autres. Nous avons montré que la diminution du rapport des masses entre ions et électrons, souvent utilisée en simulations numériques pour accélérer la dynamique des chocs, peut avoir de fortes conséquences sur le transfert d'énergie entre particules durant la phase non-linéaire des instabilités.Ces dernières, comme l'instabilité acoustique ionique (IAI) amènent sous certaines conditions à la formation de chocs électrostatiques, pouvant donner naissance à la formation de trous dans l'espace des phases, se propageant dans la région aval du choc, et accélérant ce dernier. L'ajout d'un champ magnétique externe conduit à un changement de médiation du choc, pouvant varier entre l'IAI et les ondes magnéto-soniques lente ou rapide en fonction de l'obliquité entre le champ magnétique et la normale au choc. De plus, nous avons montré que l'orientation du champ magnétique permet de choisir entre une dispersion convexe ou concave des ondes plasma conduisant à la création d'ondes précurseurs dans les régions amont ou aval du choc.Ces chocs magnétisés se trouvent être correctement représentés par le modèle magnétohydrodynamique (MHD) tant qu'ils restent laminaire et que leur potentiel dans la région aval n'est pas suffisamment grand pour réfléchir les particules du milieu amont.Nous avons montré que même pour des chocs sous critiques, une fraction d'ions réfléchis, ne pouvant pas être représentés par la MHD, est suffisante à la croissance d'ondes solitaires en amont du choc, conduisant à l’accélération de ce dernier, mais pas à un processus d'auto-reformation comme pour les chocs super critiques.Bien que les échelles spatio-temporelles soient très différentes, les lois d'échelle rendent possible l'étude de tels phénomènes en laboratoire. Nos études numériques ont été faites dans un cadre de type tube à choc pouvant être testé expérimentalement.A ce titre, nous proposons dans cette thèse une expérience sur la création d'îlots magnétiques, formés par l’interaction de plasmas générés par l'irradiation de cibles par laser baignant dans un champ magnétique externe, et conduisant à la formation de tels chocs.Enfin, nous avons démontré expérimentalement et numériquement la formation de chocs électromagnétiques sans collisions par le biais de l'instabilité de Weibel stimulée par l'instabilité de batterie Biermann, conduisant à l'accélération de particules par le mécanisme de Fermi. Ce nouveau type d'expérience pourrait expliquer l'origine du rayonnement cosmique provenant des restes de supernova.