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Instabilité hydrodynamique : Application à l'astrophysique de laboratoire et diagnostic X à haute résolution

Gabriel Rigon (LULI)

Le développement des lasers de puissance au cours du 20ème siècle a permis d’atteindre le régime que l'on appelle des hautes densités d’énergie (HDE), où la matière est portée dans des conditions extrêmes. Cela a permis l’essor d’une nouvelle discipline: l’astrophysique de laboratoire. Celle-ci vise à reproduire en laboratoire des conditions comparables à celles observées en astrophysique au sein de planètes, d’étoiles, ou lors de phénomènes cataclysmiques par exemple.

Cette thèse porte sur l’étude expérimentale et numérique d’instabilités hydrodynamiques pouvant être trouvées dans de telles situations. Ces instabilités influencent l’évolution d’objets astrophysiques et en gênent l’observation. Ici nous nous intéresserons plus particulièrement aux instabilités de Rayleigh-Taylor (IRT) et de Richtmyer-Meshkov (IRM). La première apparaît dès lors qu’un fluide dense repose sur un fluide moins dense. La seconde peut être considérée comme un cas particulier de la première où la force responsable de l’instabilité est due à une onde de choc. Ces deux instabilités se retrouvent en astrophysique dans les restes de supernovæ, qui sont constitués de la matière éjectée lors de la mort (explosion) d’une étoile massive. Nous pouvons aussi les trouver en fusion par confinement inertiel, où elles sont en partie responsable des difficultés à atteindre l’ignition.

Dans cette thèse nous présentons les résultats d’expériences réalisées sur les installations LULI2000 à Palaiseau (France), GEKKO XII à Osaka (Japon) et SACLA (Japon) visant l’étude de ces instabilités. Ces travaux expérimentaux nous ont permis d’observer directement et de reconstituer l’évolution de l’IRT de sa phase linéaire, aux temps courts, à sa phase turbulente, aux temps longs. Nous avons ainsi effectué une étude paramétrique de l’IRT où nous faisions varier les paramètres classiques l’influençant : longueur d’onde de perturbation, rapport des densités au travers de l’interface (nombre d’Atwood). Cela constitue donc une étude expérimentale complète de l’IRT et présente un caractère inédit quant à l’observation de la turbulence avec une résolution sans précédent dans le domaine de la HDE.

Cette étude expérimentale est complétée d’une étude numérique réalisée à l’aide de FLASH, un code de magnéto-hydrodynamique développé par l’université de Chicago. Les simulations effectuées lors de cette thèse ont permis à la fois de préparer l’ensemble de l’étude expérimentale, et d’interpréter et de comprendre les résultats.

En parallèle de ces études d’instabilités, un diagnostic de radiographie à rayons X à haute résolution spatiale a été développé. Il utilise un cristal de LiF comme détecteur. Une étude des caractéristiques de ce diagnostic a été effectuée (réponse spectrale, variation de résolution…) sur le synchrotron SOLEIL. Cela nous a alors permis d'utiliser le LiF comme détecteur principal lors de nos expériences sur SACLA où une résolution spatiale sub-micronique et temporelle de l’ordre de 10 fs ont été obtenues.