Numerical MHD Simulations of Astrophysical Jets
Simulations Numériques MHD de Jets Astrophysiques
Résumé
Astrophysical jets are certainly one of the most fascinating phenomena in the universe. These are flows of matter observed around very different objects, such as active galactic nuclei (AGNs), the compact objects in X-ray binary systems, or even protostars. Despite their extremely different scales, what these jets have in common is that they are linked to the presence of an accretion disc rotating around the central object (black hole or star), and that they can be collimated at great distances, with the matter remaining confined around the rotation axis of the disc.The only model capable of reproducing these flows is based on the presence of a large-scale magnetic field in the disc (Blandford & Payne 1982). The plasma is first ejected from the accretion disc and then confined around its axis by the Laplace magnetic force. The theoretical framework for this seminal work is MagnetoHydroDynamics (MHD), which describes plasma as a fluid in motion. It gave rise to a number of semi-analytical studies, followed by numerical simulations of jets from accretion disks, in two or three dimensions, in the classical or relativistic regime... However, the collimation of large-scale jets remains largely unexplored. How can jets be collimated in asymptotic regions, when the current flowing through them is disconnected from the disc? These regions could be separated from the accelerating circuit by a discontinuity that occurs after the plasma has been confined towards the axis: the recollimation shock. Predicted by semi-analytical solutions and probably observed in AGN and protostar jets, these shocks have not yet been reproduced by numerical simulations.During my thesis, I carried out 2D numerical simulations of jets using the MHD code PLUTO (Mignone et al. 2007). These simulations, in non-relativistic ideal MHD, extend to unprecedented time and space scales. In the first part of the thesis, I use the self-similar Jet-Emitting Disk (JED) model of Ferreira (1997) as a boundary condition. The simulations I obtain are the first to contain stationary recollimation shocks. These behave qualitatively as expected by the semi-analytical solutions, but my simulations also show that the flow emitted by the central object (black hole or star) has a significant influence on the collimation of the jet emitted by the disc.In the second part of the thesis, the ejection is truncated: the JED is now limited to the innermost regions of the disc, with the outer regions no longer launching a jet. This more realistic setup produces jets that also contain recollimation shocks, showing that these shocks are not due to a bias of self-similarity. In the third part of the thesis I present a special case of truncated simulation: the jet is no longer stationary but is buffeted at regular time intervals. This creates perturbations that propagate along the up from the asymptotic regions down to the vicinity of the disc. Such perturbations may be at the origin of certain quasi-periodic oscillations (QPO) observed in X binaries. Finally, in the fourth part I present a numerical setup for carrying out 3D simulations of jets, which I produced with Claudio Zanni. Three-dimensional jets are known to develop a number of instabilities, and this setup will soon make it possible to study how these instabilities modify recollimation shocks.
Les jets astrophysiques sont certainement l'un des phénomènes de l'univers les plus fascinants. Il s'agit d'écoulements de matière observés autour d'objets très différents, comme les noyaux actifs de galaxie (AGN), les objets compacts d'un système binaire X ou même les proto-étoiles. Malgré des échelles extrêmement différentes, ces jets ont en commun d'être liés à la présence d'un disque d'accrétion en rotation autour de l'objet central (trou noir ou étoile), ainsi que de pouvoir être collimatés à grande distance, la matière restant confinée autour de l'axe de rotation du disque.Le seul modèle capable de reproduire ces écoulements repose sur la présence dans le disque d'un champ magnétique à grande échelle (Blandford & Payne 1982). Le plasma y est d'abord éjecté du disque d'accrétion puis confiné autour de son axe par la force magnétique de Laplace. Ce travail fondateur a comme cadre théorique la MagnétoHydroDynamique (MHD), description du plasma comme un fluide en mouvement. Il a suscité nombre de travaux semi-analytiques, puis de simulations numériques de jets issus de disques d'accrétion, en deux ou trois dimensions, en régime classique ou relativiste... Cependant, la collimation des jets à grande échelle reste encore largement inexplorée. Comment les jets peuvent-ils être collimatés dans les régions asymptotiques, alors que le courant qui les parcourt est déconnecté du disque ? Ces régions pourraient être séparées du circuit accélérateur par une discontinuité ayant lieu après que le plasma ait été confiné vers l'axe : le choc de recollimation. Prédits par les solutions semi-analytiques et probablement observés dans les jets d'AGN et de proto-étoiles, ces chocs n'ont pour l'instant pas été reproduits par des simulations numériques.Au cours de ma thèse, j'ai réalisé des simulations numériques 2D de jets en utilisant le code MHD PLUTO (Mignone et al. 2007). Ces simulations, en MHD idéale et non-relativiste, s'étendent à des échelles de temps et d'espace sans précédent. Dans la première partie de la thèse, j'utilise le modèle autosimilaire Jet-Emitting Disk (JED) de Ferreira (1997) comme condition limite. Les simulations que j'obtiens sont les premières à contenir des chocs de recollimation stationnaires. Ceux-ci se comportent qualitativement comme attendu par les solutions semi-analytiques, mais mes simulations montrent également que l'écoulement émis par l'objet central (trou noir ou étoile) a une influence primordiale sur la collimation du jet émis par le disque.Dans la deuxième partie de la thèse, l'éjection est tronquée: le JED est maintenant limité aux régions les plus internes du disque, les régions externes ne lançant plus de jet. Ce dispositif plus réaliste produit des jets contenant également des chocs de recollimation, montrant que ces chocs ne sont pas dus à un biais de l'autosimilarité. Dans la troisième partie de la thèse je présente un cas particulier de simulation tronquée. Dans celui-ci, le jet n'est plus stationnaire mais est ballotté à intervalles de temps réguliers. Cela créée des perturbations remontant le jet des régions asymptotiques jusqu'au voisinage du disque. De telles perturbations être à l’origine de certaines oscillations quasi-périodiques (QPO) observées dans les binaires X. Enfin dans la quatrième partie je présente un dispositif numérique pour réaliser des simulations 3D de jets, que j'ai réalisé avec Claudio Zanni. Les jets en trois dimensions sont connus pour développer nombre d'instabilités, et ce dispositif permettra bientôt d'étudier comment celles-ci modifient les chocs de recollimation.
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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