Simuler en laboratoire des écoulements de plasmas magnétisés pour l’astrophysique – SILAMPA

Ce projet vise à répondre, pour la première fois, à des questions pertinentes pour l'astronomie liées au couplage entre un fort champ magnétique et des plasmas en expansion et en collision, notamment pour ce qui relève de la collimation d’écoulements magnétohydrodynamiques compressibles (jets de plasmas) par des champs magnétiques, ou la formation de chocs sans collisions et la dynamique des particules associées. Pour cela, notre projet va exploiter les progrès réalisés de notre part dans la mise en place d’une nouvelle plateforme expérimentale ambitieuse qui utilise des lasers de puissance pour créer le plasma (en expansion dans le vide) et des bobines pulsées pour générer les champs magnétiques intenses. Le couplage unique entre ces deux installations expérimentales sera complété par des simulations numériques hydrodynamiques et cinétiques. A l’aide de ces dernières, nous allons tout d'abord étudier la question de la mise en forme/collimation et de l'évolution de l'écoulement de plasma, i.e. du jet. La motivation principale est ici de tester des hypothèses sur les mécanismes donnant lieu aux éjectas de nébuleuses planétaires (PNE) observés, notamment à leur collimation. Nous allons ensuite utiliser la même plateforme expérimentale et numérique pour étudier la production de particules et de rayonnement énergétiques par des écoulements de plasma en collision, que nous produirons tout simplement en faisant contre-propager deux écoulements de plasma. Les chocs non collisionnels qui sont produits dans ces conditions (caractérisé par les réflexions des ions à travers les champs de grande amplitude électrique ou magnétique développés par des séparations de charge ou des instabilités dans un régime où les collisions ont un effet limité) pourraient en effet être à la source des émissions observées depuis les chocs associés aux restes de supernova (SNR). Ces deux thèmes font à l’heure actuelle l'objet de débats intenses et de recherches actives. Ayant la possibilité pour la première fois d'étudier tous ces effets dans le laboratoire est un grand défi et peut apporter des résultats significatifs nouveaux qui pourront être comparés avec les observations existantes.
Pour y parvenir, au sein de SILAMPA, nous allons croiser de manière cohérente la modélisation/simulation des plasmas astrophysiques et les expériences plasma pertinentes mises en œuvre à échelle réduite en laboratoire. Une approche interdisciplinaire et synergique est en effet cruciale afin de comprendre le comportement de ces écoulements astrophysiques tridimensionnels complexes (compressible), où les effets non linéaires, les champs magnétiques et les rayonnements jouent un rôle fondamental. SILAMPA rassemble, dans une collaboration forte et équilibrée, 4 partenaires différents, le LULI (Palaiseau), le CELIA (Bordeaux), le LERMA (Paris) et le LNCMI (Toulouse), chacun avec des forces dans leurs domaines respectifs d'expertise, à savoir les lasers de forte puissance, l’interaction laser intense-plasma et les diagnostics plasma (LULI), les simulations numériques sophistiquées et modélisations analytiques de ces phénomènes (CELIA, LERMA, LULI), l'astrophysique (LERMA, CELIA) et les systèmes de génération de champs magnétiques pulsés puissants (LNCMI). De par la complémentarité des différents partenaires, leurs expertises scientifiques et techniques respectives, et les collaborations qu’ils ont déjà entamées sur le projet, nous sommes très confiants dans la réussite du projet. À long terme, nous nous attendons à ce que ce projet ait un impact durable bien au-delà de sa portée actuelle, car il va ouvrir de nouvelles perspectives pour l’étude des plasmas laser magnétisés et sera le point de départ de grandes avancées balayant une grande variété de problèmes physiques d'intérêt pour l'astrophysique et les plasmas laser.