Micro-Astro-CHocs – MACH

Les micro-instabilités, le développement de la turbulence et l'accélération de particule dans les chocs sans collision sont étudiés par l'intermédiaire d'études analytiques (résolution de relation de dispersion et du taux de croissance linéaire), numériques (prolongement en régime non-linéaire et étude de la turbulence, accélération de particules) pour des régimes de chocs allant de non-relativistes (chocs magnétosphériques, des supernovae) au cas ultra-relativistes (sursauts gamma, vents de pulsars). Du fait de la grandeur dynamique d'échelle nécessaire à ces études plusieurs outils numériques sont développés: code particle-in-cell (petites échelles spatiales et temporelles: formation des chocs, instabilités), et code MHD et hybride (grandes échelles spatiales et temporelles, accélération de particule). La mise à disposition de ces deux codes est l'objectif principal de ce projet ANR.

Le développement du code PIC SMILEI avance nominalement, le correcteur d'émission Cerenkov est implémenté et l'injecteur mouvant est en passe de l'être. A ce point les deux objectifs techniques principaux pour ce code seront atteints. Le développement du code PIC-MHD est presque terminé, une version relativiste devrait être prête pour décembre 2016 soit exactement à la date prévue.
Sur les résultats scientifiques plusieurs études analytiques ont été menées à la fois pour les chocs non-relativistes et relativistes. Le versant numérique fera l'objet de la seconde partie de l'ANR.
Enfin un set-up pour une expérience avec le LMJ issue de notre collaboration a été sélectionnée.

Une fois les deux utils numériques mis au point nous allons aborder le pendant numérique des études analytiques menées dans la première partie de l'ANR notamment en ce qui concerne l'accélération de particule dans les chocs moyennement relativistes.
Réalisation de l'expérience avec le LMJ si possible avant la fin de l'ANR et exploitation.

1. Marcowith A., A Bret, A Bykov, M E Dieckman, L O’C Drury, B Lembège, M Lemoine, G Morlino, G Murphy, G Pelletier, I Plotnikov, B. Reville, M Riquelme, L Sironi and A Stockem Novo (2016) The microphysics of collisionless shock waves Reports on Progress in Physics, 79 (2016) 046901, doi:10.1088/0034-4885/79/4/046901
2. M. Lobet, C. Ruyer, A. Debayle, E. d'Humières, M. Grech, M. Lemoine, L. Gremillet : Ultrafast synchrotron-enhanced thermalization of laser-driven colliding pair plasmas, PRL 115 215003 (2016)
3 . Ardaneh K. D.S. Cai, K-I. Nishikawa, and B. Lembège Collisionless Weibel shocks and electron acceleration in gamma-ray bursts ;The Astrophysical Journal, 811:57 (9pp), 2015.
4. M. Lemoine, O. Ramos, L. Gremillet : Corrugation of relativistic magnetized shock waves, ApJ 827, 44 (2016)
3. M. Lemoine : A corrugated termination shock in pulsar wind nebulae ?, J. Plasm. Phys. 82 635820401 (2016)
5. M. Lemoine : The synchrotron self-Compton spectrum of relativistic blast waves at large Y, MNRAS 453, 3772 (2015)
6. L. Sironi, U. Keshet, M. Lemoine : Relativistic shocks : particle acceleration and magnetization, Sp. Sc. Rev. 191, 519 (2015)
7. R. Zakine, M. Lemoine : The elusive synchrotron precursor of collisionless shocks, AA, submitted (2016)

L'origine des particules hautement relativistes et du rayonnement secondaire associé dans les sources astrophysiques de haute énergie, comme les restes de supernovae, les pulsars, les quasars, les micro-quasars, les noyaux actifs de galactiques, les sursauts gamma ... représente une des principales questions de l'astrophysique d'aujourd'hui. Il est généralement admis que l'accélération des particules et la production de rayonnement non-thermique sont associés à la dissipation de l'énergie dans les ondes de choc sans collisions, qu'elles soient non-relativistes, moyennement relativistes, voire ultra-relativistes. Les développements récents, tant sur le plan théorique que sur le plan expérimental ont conduit à
la conclusion que l'accélération de particules, la structure du choc et la génération de turbulence forment un triptyque interdépendant de sorte que l'on doit aborder les processus physiques à partir des échelles microscopiques jusqu'aux grandes échelles, une situation plutôt inhabituelle en astrophysique. Pour atteindre l'auto-cohérence, le modèle doit en outre intégrer les couplages non-linéaire de ces différentes échelles. Il faut donc réunir les connaissances de plusieurs disciplines - astrophysique des hautes énergies, physique des plasmas spatiaux, physique des plasmas laser - et développer des outils numériques efficaces et fiables. C'est précisément l'objectif du projet MACH, qui propose de combiner des études analytiques avec l'état de l'art des simulations numériques et des expériences de plasma afin de procéder à une étude multi-échelle auto-cohérente des chocs astrophysiques, des mécanismes d'accélération de particule et la génération de rayonnement.
A la fin du projet, nous allons livrer à la communauté française deux codes numériques dans l'état de l'art: un code relativiste Particle-In-Cell 3D pour des études auto-cohérentes de la physique des chocs relativistes et un code hybride relativiste PIC-MHD 3D qui traitera des phénomènes pertinents sur de plus grandes échelles spatiales et temporelles. Les deux codes seront utilisés pour les études de divers scénarios de formation des chocs et l'interprétation des données d'observation de l'accélération de particules; les codes PIC seront également utilisées pour planifier et orienter les expériences de laboratoire de formation de chocs avec des lasers de forte puissance.
Ce projet est évidemment interdisciplinaire car il implique des physiciens de ces trois disciplines. Il combine leurs visions complémentaires correspondant aux outils méthodologiques: des simulations numériques, des études analytique, des expériences plasma de formation de choc. MACH contribuera à placer la communauté astrophysique française à la pointe de la recherche dans un domaine qui est actuellement dominé par des équipes américaines et japonaises. Le projet MACH est organisé en trois tâches scientifiques parallèles: (1) mise à niveau des codes PIC existants issus de la communauté des plasmas de laser (2) simulations PIC adaptées aux conditions requises dans les chocs moyennement relativistes et relativistes avec un support par des études analytiques permettant la préparation d'expériences laser plasma; (3) le développement d'un code hybride PIC- MHD relativiste en parallèle avec l'exécution de simulations MHD d'ondes de choc avec maillage adaptatif. Pour atteindre ces objectifs, nous demandons à l'ANR de financer deux postes de niveau postdoctoral de deux ans chacun, et la moitié d'un doctorat, de financer des missions ainsi que des équipements de petite échelle.