The role of magnetic turbulence in astrophysical jet launching and cosmic ray transport
Du lancement de jets MHD aux rayons cosmiques: La fonction de la turbulence magnetique
Résumé
The first part of my thesis shows how Keplerian discs can launch MHD jets, under some conditions. The key points of this first part are the adding of viscosity inside the disc and a relevant energy equation, In particular, I have shown both analytically and numerically that the angular momentum transport is constrained by the MHD turbulence properties. I have also shown that one must take into account a relevant energy equation in order to have a more realistic description of jets observed in the Universe. Moreover, some energy turbulent transport mechanisms cannot be described in a simple MHD approach. In order to better understand the interaction between a turbulent magnetic field and charged particles, I have undertaken a study dealing with spatial and angular diffusion of hadrons with a chaotic magnetic field generated by a magnetic turbulence. In this study, it clearly appears that the spatial diffusion coefficient along the mean magnetic field extrapolate the results of quasi-linear theory for weak turbulence. At the opposite, in the inertial range, the spatial diffusion coefficient across the mean magnetic field is inconsistent with such a theory. Indeed the spatial diffusion coefficient across the mean magnetic field has a behaviour that can be interpreted as a chaotic diffusion regime as the one predicted by Rechester & Rosenbluth. Moreover, outside this range, the behaviours of all spatial diffusion coefficients are different of those expected in the framework of quasi-linear theory. At last, it has been found that a Bohm diffusion regime never occurs whatever the magnetic chaos.
Le champ magnétique est un ingrédient physique parmi les plus communs dans les environnements astrophysiques. Bien qu'il ait été étudié depuis de nombreuses décennies, certains de ses domaines d'application sont encore mystérieux, en particulier celui qui est associé à la turbulence magnétique. Ce phénomène apparaît dans des problèmes encore non résolus à ce jour. Le sujet de cette thèse porte sur l'étude de cette turbulence dans les disques d'accrétion magnétisés et képlériens lançant des jets, ainsi que sur ses effets sur le transport des rayons cosmiques. La première partie de cette thèse montre que les disques d'accrétion magnétisés képlériens soumis à une turbulence magnétohydrodynamique (MHD) peuvent être le siège d'une production stationnaire de jets MHD de matière sous certaines conditions. L'ajout des effets dus à la viscosité du plasma ainsi que l'implémentation d'une équation d'énergie modélisant une couronne chauffante sont les points clés de cette première partie. J'ai en particulier montré à la fois analytiquement et numériquement que le rapport entre couple de freinage magnétique et visqueux était contraint par les propriétés de la turbulence MHD. J'ai aussi montré que la prise en compte plus fine de l'équation d'énergie était nécessaire pour une description plus fidèle des jets observés dans l'Univers. Cette équation fait intervenir nombres de processus de chauffages et de transport d'énergie dont la prise en compte dans l'approximation fluide n'est pas possible. J'insiste, dans cette première partie, sur la necessité d'une approche cinétique de ces phénomènes afin de pouvoir mieux les décrire macroscopiquement. C'est cette étude qui a motivé la suite de ma thèse. Afin de mieux connaître les influences de la turbulence magnétique sur le transport de particules chargées, j'ai entrepris une étude sur la diffusion spatiale et angulaire des hadrons avec un champ magnétique chaotique dont la distribution spectrale en loi de puissance peut être reliée à celle qu'engendrerait une turbulence de type Kolmogorov ou Kraichnan. Les résultats de cette étude ont permis d'obtenir des réponses nouvelles sur des régimes de diffusion dans des domaines de turbulence encore jamais étudiés. En particulier, j'ai montré que les coefficients de diffusion spatiale parallèle au champ magnétique à grande échelle ainsi que le coefficient de diffusion angulaire suivaient un comportement dans le domaine de résonance extrapolant celui prédit par la théorie quasi-linéaire dans le cas de la très faible turbulence. A l'opposé, le coefficient de diffusion perpendiculaire suit un comportement, dans ce même domaine, non prédit par la théorie quasi-linéaire. Ce régime est assimilable à un régime de diffusion anormale amplifiée par la présence de chaos magnétique. De plus, en dehors du domaine de résonance avec le chaos, les comportements de tous ces coefficents sont différents de ceux attendus. Enfin, l'existence d'un régime de diffusion de Bohm n'a pas été démontrée quelque soit le niveau de chaos magnetique