Turbulence magnétisée stratifiée et effet dynamo dans le milieu intra-amas

Soutenance de thèse de Jean Kempf (Salle Coriolis, OMP)

Résumé de la thèse : L’Univers tout entier est imprégné de champs magnétiques, et ses échelles les plus grandes n’y font pas exception. À ces échelles sont également trouvés des amas de galaxies, le point culminant de la formation hiérarchique des structures, qui se sont formés récemment dans l’histoire de l’Univers. Situés au nœuds de la toile cosmique, ils font partie des systèmes astrophysiques gravitationnellement liés les plus massifs dans l’Univers. De la matière noire, des champs magnétiques, et un plasma chaud et diffus, appelé le milieu intra-amas (ICM, de l’anglais intracluster medium), qui brille presque exclusivement dans les longueurs d’onde X et radio, imprègnent l’espace entre les galaxies dans les amas. Beaucoup de questions relatives à l’astrophysique des amas de galaxies demeurent non-résolues, comme la catastrophe de refroidissement, le biais de masse hydrostatique, l’enrichissement et le mélange des espèces chimiques, et l’origine des champs magnétiques dans les amas, pour n’en mentionner que les examples les plus remarquables. Sans aucun doute, un dénominateur commun entre ces divers problèmes est la dynamique interne, magnétisée, fluide, à grande échelle de l’ICM des amas de galaxies, qui reste à ce jour mal contrainte car observer l’ICM dans les bandes de fréquence pertinentes est intrinsèquement, et techniquement, très compliqué.

Le but principal de cette thèse a été d’améliorer notre compréhension d’un éventuel vecteur efficace de dynamique interne, turbulente, et magnétisée dans l’ICM, l’instabilité magnéto-thermique (MTI, de l’anglais magneto-thermal instability), un processus magnétohydrodynamique (MHD) fondamental probablement en jeu dans les halos des amas de galaxies. Nous avons procédé en quatre étapes, en suivant un fil rouge de complexité théorique croissante, ou, de manière équivalente, de la physique la plus linéaire, à la plus non-linéaire, que nous avons sondée. Premièrement, nous avons contraint la physique et l’énergétique de la MTI linéaire et montré que ses modes propres se développent aux échelles d’un amas ; par conséquent, nous avons davantage éclairci les caractéristiques dynamiques de turbulence magnéto-thermique, non-linéaire, compressible, globale et développé une théorie de longueur de mélange diffusive afin d’unifier deux précédentes théories dissonantes de sa saturation non-linéaire et de son transport dans l’ICM. Nous nous sommes ensuite attaqué au problème de l’amplification d’un champ magnétique par de la turbulence magnéto-thermique par un effet de dynamo fluide, un processus spécifique qui pourrait expliquer la géométrie entremêlée, isotrope, et à plutôt petite échelle des champs magnétiques inférés dans les amas. Finalement, armés d’une compréhension théorique de dynamique magnéto-thermique dans les amas à la pointe de l’état de l’art, nous avons évalué sa possible détectabilité observationnelle dans l’ICM avec le futur instrument X-ray Integrated Field Unit (X-IFU) à bord de ATHENA, et trouvé qu’elle serait vraisemblablement non-détectable, bien que seulement de manière marginale. Somme toute, nos résultats montrent que la caractérisation des particularités d’une dynamique stratifiée et magnétisée au sein de l’ICM est d’une importante capitale pour de futures observations et pour approfondir notre compréhension des structures aux grandes échelles comme les amas de galaxies.

Composition du jury de thèse :

• Pascale GARAUD, reviewer, University of Santa Cruz
• Christopher REYNOLDS, reviewer, University of Maryland
• Geoffroy LESUR, examiner, IPAG
• Katia FERRIÈRE, examiner, IRAP
• NicolasCLERC, examiner, IRAP
• FrançoisRINCON, PhD supervisor, IRAP