Les environnements hautement magnétisés autour des sources astrophysiques compactes (trous noirs, étoiles à neutrons) et leurs flux relativistes offrent des conditions idéales pour accélérer les particules chargées à des énergies très élevées (TeV à PeV et au-delà ; VHE) et produire des signaux multimessagers (par exemple, photons et neutrinos). En effet, la turbulence omniprésente peut assurer une accélération stochastique efficace des particules, tandis que les fonds ambiants constituent des cibles idéales pour les interactions radiatives et hadroniques. Ces dernières années, les progrès dans ce domaine ont bénéficié du développement du calcul haute performance, en particulier des simulations magnétohydrodynamiques (MHD) pour modéliser les flux à grande échelle et des simulations « particle-in-cell » (PIC) pour étudier la cinétique des particules à l'échelle microscopique du plasma. En outre, les récentes détections d'éruptions électromagnétiques dans différentes bandes de fréquences, et en particulier l'association récente des neutrinos VHE avec des systèmes de trous noirs massifs actifs, ont à la fois établi ces systèmes comme émetteurs VHE et fourni des sondes observationnelles sans précédent de leur physique. En conséquence, la compréhension de la manière dont les particules sont accélérées dans de telles conditions et du canal par lequel les neutrinos et les photons sont produits sont devenues des sujets brûlants en astrophysique multimessagère.
L'objectif de ce doctorat est de contribuer aux efforts théoriques dans ce domaine, d'approfondir notre compréhension des processus d'accélération à partir des principes fondamentaux et de modéliser leurs signatures phénoménologiques dans les sources relativistes. Le travail de doctorat comprendra donc des développements analytiques ainsi que des calculs numériques haute performance. Le/la doctorant(e) utilisera (et réalisera) des simulations PIC pour étudier la physique de l'accélération des particules dans une turbulence hautement magnétisée (relativiste) dans des conditions similaires à celles des sources susmentionnées. Une attention particulière sera accordée à la rétroaction non linéaire des particules accélérées sur leur environnement turbulent, car les particules VHE ajoutent de la viscosité et de la résistivité au flux, et amortissent ainsi la turbulence qui les dynamise. Ces simulations seront ensuite utilisées pour améliorer les modèles théoriques existants d'accélération des particules, afin d'extrapoler les résultats des simulations à des échelles astrophysiques d'intérêt et de calculer les rendements multimessagers. Le/la doctorant(e) travaillera donc également sur les applications phénoménologiques de ces études à l'astrophysique multimessagère.
La thèse sera réalisée sous la supervision de Martin Lemoine à Astroparticule & Cosmologie (APC, CNRS – Université Paris-Cité), dans le cadre du projet HENBoS (High Energy Neutrinos from Black hOles Systems) financé par l'ANR. L'APC offre un environnement idéal pour ce type d'études, car il rassemble des experts en astrophysique multimessagère expérimentale, théorique et numérique.
Contexte de travail
Les travaux de doctorat s'inscrivent dans le cadre du projet HENBoS (2025-2029) financé par l'ANR, qui vise à décrire avec une précision et une ampleur sans précédent les systèmes de trous noirs massifs en tant qu'accélérateurs cosmiques. Notre vision et notre compréhension des systèmes de trous noirs supermassifs ont en effet connu des progrès spectaculaires au cours de la dernière décennie. Ils ont notamment montré que ces objets se comportent comme des accélérateurs de particules de très haute énergie (VHE) et qu'ils sont probablement à l'origine de neutrinos (VHE). Comprendre où et comment les particules sont accélérées dans ces environnements extrêmes est donc devenu une question clé, avec des conséquences profondes pour l'astrophysique multimessagère et l'astronomie des trous noirs. Le projet HENBoS s'inscrit dans ce contexte en pleine évolution. La stratégie repose sur des simulations numériques haute performance utilisant une technique GRMHD-PIC, qui permet de suivre les ions VHE en temps réel. Ces simulations seront complétées par des méthodes analytiques de pointe pour injecter des particules sur la grille. Leurs résultats seront convolués avec des codes radiatifs avancés afin de calculer les flux et les spectres multi-messagers. Ces simulations seront également complétées par des simulations cinétiques de l'accélération des particules dans les plasmas turbulents et par des modèles phénoménologiques. L'objectif global de ce programme ambitieux est de décrire le processus d'accélération à différentes échelles de longueur, dans le flux turbulent, dans le jet interne et dans la couronne, pour différents régimes d'accrétion et types de sources, de mener des études spécifiques pour certaines sources et d'établir des prévisions de détection pour les futurs détecteurs multimessagers.
Contraintes et risques
Pas de risque particulier.
Des déplacements en France et à l'étranger sont à prévoir.
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