Organisme : Aix-Marseille Université

Laboratoire : PIIM UMR 7345

Localisation : Campus Saint-Jérôme

Superviseur : Alexandre Escarguel

Financement : Projet AMIDEX Aix-Marseille Université «Table Top Accretion Disks».

e-mail : alexandre.escarguel@univ-amu.fr

Analyse et contrôle de l’auto-organisation de la colonne de plasma magnétisé ExB dans le cadre de l’étude des mécanismes d’accrétion astrophysiques

Cette thèse propose une manière innovante d’utiliser une expérience de laboratoire pour étudier les disques rotatifs képlériens en astrophysique. En effet, les disques d’accrétion stellaires sont des systèmes complexes dont la dynamique couvre un grand nombre de domaines de recherche. Ils sont en effet constitués de poussières, de gaz neutres et de plasmas en orbite autour d’étoiles jeunes ou naissantes et sont à l’origine de la formation de planètes [1]. En lien avec les capacités d’observation des instruments modernes tels que le télescope spatial James Webb [2], des efforts intenses sont aujourd’hui entrepris pour expliquer les mécanismes d’accrétion et la formation des disques. La question de savoir comment une rotation képlérienne peut conduire à un transport de matière vers le centre est encore débattue, puisque la diffusion collisionnelle est négligeable dans ces systèmes, et que les disques képlériens sont stables en ce qui concerne les instabilités hydrodynamiques classiques. La façon dont les instabilités et le transport se produisent peut être élucidée en mettant en place des dispositifs expérimentaux dédiés. Les expériences de plasma en laboratoire avec rotation contrôlée du plasma constituent un moyen innovant d’explorer ces questions scientifiques.

Mistral est une expérience de plasma froid magnétisé avec un champ magnétique constant [3, 4, 5, 6]. Il s’agit d’une expérience canonique pour étudier divers types d’instabilités dans les plasmas ExB faiblement magnétisés, comme les instabilités centrifuges [7]. En présence d’un champ magnétique B perpendiculaire à un champ électrique E, les particules chargées dérivent dans la direction ExB. Combinée aux inhomogénéités du plasma, cette dérive est propice à l’apparition d’instabilités qui augmentent considérablement le transport à travers le champ magnétique B («anomalous transport»). Ces configurations à travers le champ sont exploitées dans de nombreuses applications.

Les plasmas en rotation sont facilement obtenus dans l’expérience Mistral, mais il y a un manque de contrôle de la rotation différentielle azimutale. Ceci peut être réalisé par un contrôle fin du profil du champ électrique radial dans le plasma. En effet, la prédiction des propriétés de rotation et le contrôle des profils d’écoulement restent un problème ouvert en ce qui concerne les plasmas rotatifs dans de tels dispositifs.

Des travaux antérieurs dans notre réseau SoPlasma (https://gitlab.com/soplasma/soplasma), y compris le dispositif Mistral, ont montré que la rotation des plasmas peut être difficile à contrôler. Des progrès récents permettent toutefois d’atteindre cet objectif important grâce à l’utilisation de cathodes concentriques froides ou chaudes [8, 9]. Un autre moyen possible de contrôler la rotation de la colonne de plasma spécifique à Mistral est de contrôler les électrons ionisants énergétiques dans Mistral par des grilles concentriques indépendantes.

L’étude de l’auto-organisation du plasma et le contrôle expérimental de sa rotation constituent l’objectif principal de cette proposition de doctorat. Premièrement, le doctorant étudiera les zones de stabilité/turbulence dans l’espace des paramètres (pression du plasma et conditions aux limites) par l’acquisition expérimentale des paramètres du plasma à l’aide de sondes de Langmuir, d’une caméra rapide et de la tomographie optique. Deuxièmement, de nouvelles configurations expérimentales innovantes seront étudiées pour mieux contrôler la rotation différentielle azimutale du plasma : grilles concentriques contrôlant l’injection d’électrons ionisants et cathodes froides/chaudes placées à l’extrémité de la colonne de plasma.

Enfin, une comparaison des résultats expérimentaux avec la théorie permettra de mieux comprendre la physique de la rotation du plasma ExB pour finalement proposer un dispositif expérimental avec une rotation képlérienne du plasma. L’importance de cette partie sera modulée en fonction de la motivation de l’étudiant pour le travail théorique.

Le projet, s’inscrivant dans le cadre du projet AMIDEX (« Initiative d’excellence » de l’Université d’Aix-Marseille Université) « Table Top Accretion Disks », est financé à 100%. 

Références

[1] G. R. J. Lesur, J. Plasma Phys. 87 205870101 (2021) [2] Burrows et al, Astrophys. J 473, 437 (1996),https://jwst.nasa.gov

[3] N. Claire, A. Escarguel, C. Rebont, F. Doveil, Phys.Plasma 25, 061203 (2018)

[4] A. Escarguel, Eur. Phys. J. D, 56, 209-214 (2010).

[5] Th. Pierre, A. Escarguel, D. Guyomarc’h, R. Barni, C. Riccardi, Phys. Rev. Lett., 92, 065004 (2004).

[6] S. Aggarwal, Y. Camenen, A. Escarguel, and A. Poye, Journal Plasma Phys., 89(3), 905890310 (2023).

[7] R. Gueroult et al, Phys. Plasmas 082102 (2017)

[8] B. Trotabas and R. Gueroult, Plasma Sources Sci. Technol. 31, 025001 (2022)

[9] V.Désangles et al, J. Plasma Phys. 87, 905870308 (2021) and Désangles, Ph.D. thesis, Ecole Normale Supérieure de Lyon, France (2018)