E5 : Observatoire numérique des phénomènes violents d’accrétion en gravité extrême
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First GR-HD simulation of a thin disk equilibrium
GYOTO view of a GR accretion disk
Collaboration entre AIM, APC et LUTh
L’avènement de nouveaux observatoires du rayonnement haute énergie dans les dernières décennies a mis en lumière l’existence de puissants mécanismes d’émission photonique s’étalant sur des gammes d’énergie allant jusqu’aux rayons gamma. Il est maintenant admis que les évènements astronomiques les plus énergétiques soient associés aux objets compacts, reliques d’anciennes étoiles très massives. Ces objets sont en proie aux champs de gravité les plus extrêmes de l’Univers et sont soupçonnés d’être de formidables attracteurs de la matière environnante. L’écoulement du plasma dans le voisinage proche des objets compacts ne peut être décrit que dans le contexte de la magnétohydrodynamique en relativité générale (GRMHD). Les équations régissant la GRMHD sont si complexes que seule une approche numérique à haute performance peut permettre de les résoudre. Le sujet de la présente collaboration est d’établir un groupe de travail dédié au développement de simulations GRMHD des écoulements d’accrétion dans le voisinage des objets compacts et à leur mis en relation avec la production d’observations synthétiques de ces évènements violents, un des thèmes majeurs du LabeX UnivEarths.
Objectifs généraux du projet
La quête pour dévoiler la nature des objets compacts détectés au centre des galaxies actives, au sein des binaires X ainsi qu’au centre de la Voie Lactée, est à la croisée des chemins entre observations haute résolution à multi longueur d’onde et l’avènement de code numériques GRMHD. Notre projet ambitionne d’exploiter cette opportunité en mettant en place une collaboration à long terme entre les membres de trois équipes impliquées dans le LabeX UnivEarths. Chacune de ces équipes a déjà abordé séparément et sous différents angles cette problématique soit sous la forme d’études analytiques, d’observations ou de simulations numérique haute performance.
Alors que la communauté astrophysique française est à l’heure actuelle en manque d’un code numérique capable de décrire la dynamique d’un plasma magnétisé en relativité générale, le LabeX UnivEarths bénéficie d’une conjonction unique où des plasmiciens numériques, des observateurs en haute énergie ainsi que des numériciens spécialisés en relativité générale sont présents dans la même structure et possède un long historique de collaborations fructueuses. En joignant nos forces, notre but est de soutenir le développement d’un code numérique GRMHD afin de réaliser des simulations numériques d’accrétion de plasma sur objet compact et d’en tirer des observations synthétiques. Une des innovations de notre code consiste en sa capacité à pouvoir gérer n’importe quel type de métriques relativistes, y compris des métriques alternatives calculées numériquement et décrivant des systèmes complexes non accessibles aux métriques analytiques comme par exemple celles de Schwarzschild ou de Kerr.
Les trois équipes en interaction
Notre équipe, qui aborde un nouveau sujet d’étude reliant les différentes expertises, est composée de personnes habituées à travailler ensemble sur une gamme de sujets aussi variés que les sursauts gamma ou les systèmes protoplanétaires. Dans notre projet, nous prévoyons d’utiliser nos approches distinctes pour aborder la création du premier code numérique GRMHD couplé à un code de tracé de rayons relativiste capable de produire des observations synthétiques des environnements d’objets compacts à partir des simulations GRMHD effectuées.
POSITION NOM LABORATOIRE GRADE, EMPLOYEUR WP leader CASSE Fabien APC MCF (Univ. Paris Diderot) WP co-leader RODRIGUEZ Jérôme AIM Ing. Chercheur, CEA WP co-leader MELIANI Zakaria LUTh AA, CNAP WP membre GOURGOULHON Eric LUTh DR, CNRS WP membre VARNIERE Peggy APC/AIM CR, CNRS WP membre VINCENT Frédéric LUTh CR, CNRS WP membre VAN MARLE A.-J. APC Postdoc (17/11-17/12) WP membre DEMIDEM Camilia APC PhD WP membre CANGEMI Floriane AIM PhD AIM – Axe haute énergie dirigée par J. Rodriguez
Cette équipe regroupe des experts d’observations multi-longueur d’onde d’objets compacts et possède un accès privilégié à une gamme importante d’observations au travers de collaborations dédiées. Cette large gamme d’observation leur permet d’aborder la problématique de l’accrétion-éjection et des mécanismes dominant ces systèmes, en particulier en ce qui concerne leur variabilité rapide en X.
APC – DASCA équipe simulation, dirigée par F. Casse et P. Varniere.
L’expertise de cette équipe englobe les études analytiques et numériques des systèmes d’accrétion-éjection et leur permet de mettre leurs travaux en contact direct avec les données observationnelles. Ils participent au développement du projet MPI-AMRVAC.
LUTH – Axe Simulation de fluides relativistes, dirigé par Z. Meliani and E. Gourgoulhon.
Z. Meliani contribue depuis longtemps au développement du projet MPI-AMRVAC et est maintenant totalement dévoué à l’implémentation et l’utilisation de la GRMHD pour l’étude des objets compacts. E. Gourgoulhon est un des leaders mondiaux dans les applications théoriques et numériques de la relativité générale.
Au cours des quatre dernières années, nous avons réussi à développer un nouveau code de fluide relativiste général (GR) visant à étudier le comportement des plasmas sujets à des champs gravitationnels extrêmes, notamment à proximité de tout type d’objets compacts, et à les coupler entièrement avec le radio-traçage pour obtenir des observations spectrales et temporelles synthétiques. Les progrès numériques que nous avons réalisés au cours des premières années ont ouvert la porte à de nouvelles études sur les fluides astrophysiques tandis que nous poursuivons nos efforts dans le traitement des données afin d’accéder aux conditions physiques prévalant dans les flux d’accrétion en orbite autour d’objets compacts. Il est intéressant de noter que nous récoltons maintenant des résultats scientifiques puisque le nombre d’articles arbitrés provenant du WP NOVA a atteint 23 au cours des quatre dernières années.
Les principaux résultats de ce WP se concentrent sur la variabilité des objets compacts, en particulier les oscillations quasi-périodiques, qui sont détectés dans le spectre de densité de puissance. Nous avons deux modèles qui répondent aux QPOs basse fréquence et haute fréquence observés dans ces sources et en utilisant des simulations, des modèles numériques combinés avec le ray-tracing, nous utilisons ces QPOs pour déduire ce qui se passe dans la source.
Exploration de modèles alternatifs d’objets compacts
Alors que les microquasars sont considérés comme des binaires à trous noirs, la nature exacte de l’objet compact reste ouverte. La détection récente d’ondes gravitationnelles dont le signal est cohérent avec les trous noirs binaires coalescents appuie fortement cette hypothèse. Cependant, nous ne pouvons pas encore exclure totalement d’autres possibilités. Parmi les modèles alternatifs, l’un des plus populaires est le modèle boson star.
L’instabilité des flux d’accrétion autour des trous noirs
Dans le contexte des disques d’accrétion en orbite autour des trous noirs, nous avons abordé la physique de l’instabilité d’un fluide, ce qui peut expliquer les caractéristiques d’observation qui se produisent à proximité des systèmes d’objets compacts. En effet, l’instabilité des ondes de Rossby (RWI) a été proposée pour expliquer la variabilité des émissions radiatives dans les microquasars ainsi que dans les trous noirs supermassifs tels que SgrA* mais cela a été fait dans l’approche pseudo-newtonienne. En utilisant notre code, nous avons effectué la première étude approfondie de cette instabilité dans un cadre relativiste général. La première étape consistait à suivre l’instabilité à partir d’une distance newtonienne et à se rapprocher de plus en plus de la dernière orbite stable du disque dans le cas d’un spin nul. Une telle étude nous permet d’étudier les minuscules changements dans le comportement de l’instabilité (Casse et al MNRAS 2017).
Impact of the gravity of a Schwarzschild black hole upon the Rossby wave instability
Casse, P.Varniere & Z. Meliani, 2017, MNRAS Vol. 464, 3704
Shocks in relativistic transverse stratified jets, a new paradigm for radio-loud AGN.
Hervet, Z. Meliani et al., 2017, A&A (in press)
On tidal disruption of clouds and disk formation near boson stars
Meliani, F. Casse, P. Grandclement, E. Gourgoulhon, 2017, Class. & Quant. Gravity (in press)
On magnetic field amplification and particle acceleration near non-relativistic astrophysical shocks:
Particles in MHD Cells simulations
A.J. van Marle, F.Casse & A. Marcowith, 2017, MNRAS (in press)
Single-dish and VLBI observations of Cygnus X-3 during the 2016 giant flare episode
Egron, E. et al, 2017, MNRAS Vol. 471, 2703
Reproducing the Correlations of Type C Low-frequency Quasi-periodic Oscillation Parameters in
XTE J1550-564 with a Spiral Structure
Varniere & F. Vincent, 2017, ApJ Vol. 834, 188
Refereed proceedings :
On magnetic field amplification and particle acceleration near non-relativistic collisionless shocks:
Particles in MHD Cells simulations
Casse, A.J. van Marle, A. Marcowith, 2017, Plasma Physics & Controlled Fusion (in press), Invited talk at the 44th euopean conference on Plasma Physics (Belfast, UK), June 2017.
Using a combined PIC-MHD code to simulate particle acceleration in astrophysical shocks
A.J. van Marle, F. Casse & A. Marcowith, 2017, Proceedings of Science (in press), Talk at the 35th International Cosmic Ray Conference (ICRC) , Busan, South Korea, July 2017