The physics of charged particle acceleration is a key element of theoretical multi-messenger astrophysics. Particles that are accelerated to high energies may indeed escape from the source and thus add up to the cosmic ray spectrum, but they may also interact with ambient fields to produce high-energy neutrinos or photons. In this framework, electromagnetic turbulence plays a central role, because it governs the transport of particles inside the site of acceleration and because it offers itself a promising acceleration process, e.g.through particle-wave interactions. In high-energy astrophysical sources, such as gamma-ray bursts or blazars, the turbulence is mildly, possibly strongly relativistic, meaning that the typical root mean squared velocity <v2>1/2~ c, and it can be weakly or highly magnetized. The physics of such electromagnetic turbulence is mostly unknown, although several pioneering studies have recently started to address this complex issue.
The continuous increase in high performance computing power, combined with the development of new numerical tools now offers the possibility to study this problem in detail. Some research groups perform numerical simulations on fluid scales in a magneto-hydrodynamic (MHD) picture, some others have access to the kinetic physics of these collisionless plasmas through particle-in-cell (PIC) simulations, and yet some others try to develop theoretical models. These techniques are complementary to each other. We use a PIC-MHD relativistic numerical code, which allows to combine both techniques in a useful way. Large scale simulations are actually ongoing.
This PhD thesis proposes to conduct such high perrformance numerical simulations, but also to work on the theoretical modeling of particle acceleration and transport, as well as on the more phenomenological consequences in high-energy and multi-messenger astrophysics. This PhD will be jointly supervised by Fabien Casse (Astroparticule et Cosmologie – APC, Paris), expert in numerical simulation and high-energy astrophysics, and Martin Lemoine (Institut d'Astrophysique de Paris – IAP), theorist.
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L’astrophysique multi-messagers repose en grande partie sur l’accélération de particules chargées, qui soit s’échappent de la source et contribuent ainsi au spectre du rayonnement cosmique, soit produisent, par interactions avec des champs ambiants, des photons ou neutrinos de haute énergie. La turbulence électromagnétique joue dans ce cadre un rôle fondamental car elle gouverne le transport des particules dans les sites d’accélération, et parce qu’elle offre elle-même un mécanisme naturel d’accélération, e.g.par interactions ondes – particules. Dans les sources de haute énergie, par exemple les sursauts gamma ou les blazars, la turbulence est modérément voire fortement relativiste, c’est-à-dire que la dispersion caractéristique de vitesse <v2>1/2~ c ; cette turbulence peut être fortement magnétisée ou non. La physique d’une telle turbulence et des processus d’accélération qui peuvent y prendre effet reste essentiellement inconnue ; seules quelques études numériques se sont penchées sur ce problème complexe.
L’augmentation de la puissance des moyens decalcul numérique actuels alliée au développement de nouveaux outils numériques offre depuis peu la possibilité d’étudier ce problème en détail. Certains groupes simulent le développement de la turbulence sur des échelles fluides dans un cadre MHD (magnéto-hydrodynamique), d’autres ont accès à la cinétique des particules grâce aux méthodes PIC (particle-in-cell). Nous utilisons un code PIC-MHD relativiste, qui permet de marier ces deux techniques, contournant ainsi certaines limitations des deux, prises isolément. Des simulations de grande taille sont actuellement en cours de réalisation.
Cette thèse propose de conduire de telles simulations numériques en calcul haute performance, mais également de s’attacher à la modélisation théorique de l’accélération et du transport des particules, ainsi qu’à leur application phénoménologique en astrophysique des hautes énergies. Cette thèse se fera conjointement sous la direction de Fabien Casse (Astroparticule et Cosmologie – APC, Paris), expert de la simulation numérique et de l’astrophysique des hautes énergies, et de Martin Lemoine (Institut d'Astrophysique de Paris – IAP), théoricien.