Magnétohydrodynamique Astrophysique et Géophysique Numérique Et Théorique

Contact : Emmanuel Dormy

Contexte scientifique et objectifs du projet

Le projet MAGNET comporte deux objectifs principaux. Il vise d'une part à créer une plate-forme numérique en ligne permettant un accès facile à plusieurs codes bien documentés et testés. Ces codes sont dédiés à l'étude de la magnétohydrodynamique (MHD idéale et approche cinétique) et permettent d'aborder un grand nombre de problèmes d'astrophysique et de géophysique dans lesquels le champ magnétique joue un rôle important.

Le projet a d'autre part pour objectif l'étude numérique et théorique de la génération, de la structure et de l'influence du champ magnétique dans la physique des galaxies, du milieu interstellaire, des disques d'accrétion, des étoiles et des planètes. Le projet regroupant des experts de domaines de l'astrophysique et de la géophysique a priori très différents, plusieurs problèmes feront l'objet de collaborations originales qui permettront des éclairages nouveaux et l'application d'outils à des domaines élargis.

Description du projet, méthodologie

Ainsi trois types de codes développés par les différents partenaires de l'équipe seront adaptés à des objectifs plus élaborés. Il s'agit de

1. deux codes magnétohydrodynamiques (MHD) sur grille utilisant des schémas conservatifs dits de Godunov, l'un à maillage adaptatif cartésien, l'autre à maillage fixe utilisant plusieurs types de coordonnées,

2. un code dédié à l'étude de la dynamo utilisant une décomposition en harmoniques sphériques et résolvant les équations de la MHD incompressible, et enfin

3. plusieurs codes utilisant l'approche cinétique lorsque les équations de la MHD idéale ne sont pas applicables. Le développement de l'ensemble de ces codes sera poursuivi et ils seront mis en ligne à la fin du projet.

Chaque code sera amplement documenté et pleinement testé. Au cours du projet l'étude de la génération du champ magnétique (instabilité dynamo) dans différents objets sera étudiée. Ainsi des simulations numériques du disque galactique, du soleil et de la terre seront réalisées. Dans le cas des disques galactiques, plusieurs mécanismes pouvant conduire à la génération de champ magnétique seront considérés et plus particulièrement les explosions de supernovae et la turbulence à grande échelle engendrée par l'instabilité magnétorotationnelle. Une étude comparative sera poursuivie pour la croissance du champ magnétique dans les planètes et le soleil. La turbulence dans différents milieux fera également l'objet de plusieurs études détaillées, en relation forte avec les études observationnelles. Des simulations numériques de la turbulence MHD dans le milieu interstellaire diffus et dans les nuages moléculaires en relation avec la formation des étoiles seront effectuées. Des simulations numériques permettront également d'étudier la turbulence dans la magnétopause. Un effort théorique et numérique spécifique visant à comprendre le rôle de la turbulence pour la reconnexion magnétique sera mené. Enfin l'effondrement gravitationnel d'un coeur dense moléculaire préstellaire magnétisé conduisant à la formation de disques d'accrétion, de jets MHD et finalement de l'étoile sera étudié en liaison avec les observations. Les processus magnétiques à l'oeuvre dans le disque et dans l'enveloppe en effondrement seront modélisés numériquement et théoriquement.

Résultats attendus

La mise en ligne des différents codes mentionnés est un effort particulièrement important dans le contexte actuel de la recherche astrophysique française puisque de tels outils ne sont pas disponibles en France à ce jour.

Les travaux de l'équipe articulés sur les collaborations entre les trois partenaires, préciseront et ouvriront de nouvelles perspectives dans notamment la compréhension

1. des couplages entre échelles au cours de l'évolution des galaxies,

2. du rôle du champ magnétique dans la formation des étoiles,

3. des processus de micro-physique dans la turbulence interstellaire,

4. des mécanismes de génération du champ magnétiques dans les objets astrophysiques,

5. des mécanismes responsables de la reconnexion dans la magnétopause.

La collaboration entre équipes travaillant sur des milieux collisionnels et non collisionnels permettra de faire des liens entre les deux types de fluides et d'élucider certaines propriétés génériques de la turbulence MHD.

Ces travaux conduiront également à la production d'observables (spectres synthétiques, données statistiques) destinées à la préparation et à l'interprétation des observations astrophysiques sur les grands instruments présents, comme CLUSTER, et futurs notamment ceux de l'Observatoire Spatial Herschel et de l'interféromètre ALMA.