Clefs n°58 Automne 2009
Clefs n°58 Automne 2009
  • Prix facial : gratuit

  • Parution : n°58 de Automne 2009

  • Périodicité : annuel

  • Editeur : CEA

  • Format : (210 x 297) mm

  • Nombre de pages : 168

  • Taille du fichier PDF : 7,3 Mo

  • Dans ce numéro : dans les secrets de l'Univers.

  • Prix de vente (PDF) : gratuit

Dans ce numéro...
< Pages précédentes
Pages : 148 - 149  |  Aller à la page   OK
Pages suivantes >
148 149
148 Des outils pour sonder l’Univers CLEFS CEA - N°58 - AUTOMNE 2009 en gardant un coût numérique acceptable, on a supposé que le disque était à symétrie cylindrique. Avec cette approximation géométrique, il est possible de calculer le transfert radiatif dans le disque, en prenant notamment en compte les propriétés radiatives complexes des poussières qui le constituent. Qu’elles soient simples ou complexes, il existe donc de nombreuses méthodes de modélisation du transfert radiatif. Le rôle du physicien consiste ensuite à cerner, au mieux, les propriétés physiques Le magnétisme Dans l’Univers, le champ magnétique est omni - présent. Pour en comprendre son origine et son influence sur l’évolution des objets célestes, les chercheurs du CEA développent des programmes numériques performants capables de suivre l’évolution et la génération du champ magnétique dans des objets aussi variés que les étoiles, les disques d’accrétion ou les galaxies. Il s’agit d’un des enjeux majeurs de l’astrophysique du XXI e siècle. L'Univers étant principalement constitué de gaz ionisé (autrement dit de plasma, quatrième état de la matière), les effets du champ magnétique se font sentir dans la plupart des objets célestes puisque les courants électriques peuvent y circuler librement. Par exemple, sur Terre, le champ géomagnétique agit sur les aiguilles des boussoles en les orientant vers le Nord géographique qui, en fait, se trouve être le pôle Sud magnétique. Mais dans le Soleil, où il s’avère Figure 1. Ligne de champ magnétique dans, et hors de la zone convective solaire. En violet, les zones dirigées vers le Soleil et en jaune celles dirigées vers l’observateur. essentielles et nécessaires à l’étude de son problème pour, finalement, choisir le meilleur compromis entre les contraintes techniques et numériques, et les nécessités physiques. > Édouard Audit Service d’astrophysique (SAp) Institut de recherche sur les lois fondamentales de l’Univers (Irfu) Direction des sciences de la matière (DSM) Unité mixte de recherche astrophysique interactions multi-échelles (CEA-Université Paris 7-CNRS) CEA Centre de Saclay (Orme des Merisiers) 1000 fois plus intense que sur Terre, le champ magnétique prend, tour à tour, la forme de points brillants, de taches solaires ou de protubérances. Dans les galaxies, on peut également observer un champ ambiant de quelques microGauss, principalement le long des bras spiraux. Enfin, l'interaction entre deux structures cosmiques magnétisées s’avère également très instructive sur le rôle joué par le champ magnétique dans l’Univers – par exemple, dans le cas d’un système étoile/planète ou d’un objet central avec un disque de matière orbitant autour de cet objet. D’où, l’incise d’Eugene Parker (1) dans Cosmic Magnetic Fields où il écrit : « Les champs magnétiques sont communs dans les laboratoires, et même dans les maisons, où leurs propriétés sont bien connues. Avec les grandes échelles présentes dans l'Univers, cependant, le champ magnétique joue un rôle particulier, assez différent de celui qu'il joue dans les laboratoires. Le champ magnétique se comporte dans l'Univers comme un "organisme", se nourrissant des mouvements créés par les étoiles et galaxies. » C’est donc à cause de l'énorme taille caractéristique des conducteurs cosmiques (2) que les courants électriques qu'ils contiennent sont déterminés par le mouvement du plasma plutôt que par la conductivité électrique. La force de Lorentz, associée au champ magnétique qui en résulte, agit directement sur les mouvements du plasma. On peut décomposer l'effet de cette force en une composante reliée à un gradient de pression magnétique perpendiculaire aux lignes de champ magnétique, et en une autre, reliée à la tension des lignes, le long desquelles les ondes d'Alfvèn se propagent. En raison de la longueur de l’échelle de temps cosmologique, la force de Lorentz, bien que petite par rapport à la gravité à ces grandes échelles, produit des effets systé - matiques et importants.• Origine du magnétisme : batterie de Biermannet effet dynamo. L’Univers baigne dans un champ magnétique infinitésimal. Son origine est liée à l’existence de gradients (1) Eugene Parker (né en 1927), astrophysicien américain qui a développé la théorie du vent solaire, prédit la forme spiralée du champ magnétique à l’intérieur du système solaire, démontré que la couronne solaire se constituait d’une multitude de minuscules éruptions solaires couvrant la totalité de la surface du Soleil. (2) Leur nombre de Reynolds magnétique (Rm = VL/eta) est gigantesque. Dans cette équation, V et L représentent la vitesse et la longueur caractéristique du système ; eta étant la diffusivité magnétique (inversement proportionnelle à la conductivité du plasma).
de densité et de pression électroniques non alignés dont l’association crée des sources de champ magnétique : c’est le phénomène dit de la batterie de Biermann(3). Pour amplifier le champ magnétique vers des valeurs plus élevées (de quelques micro à plusieurs centaines de milliards de Gauss comme dans les objets compacts), on peut soit le comprimer (par la conservation du flux magnétique, l’amplitude du champ croit avec la réduction de la taille du système), soit l’amplifier via l’action d’une dynamo fluide. À titre de comparaison, prenons l’exemple d’une dynamo installée sur un vélo pour convertir l'énergie mécanique fournie par une personne pédalant, en énergie électrique, par exemple, pour allumer l'ampoule d’un phare. Pour les objets célestes, il existe un principe équivalent capable de transformer l’énergie cinétique en énergie magnétique. Ce principe dépend du mouvement du plasma composant ces objets célestes. On lui a donné le nom de « dynamo fluide ». Selon toute vraisemblance, il serait à l’origine du magnétisme de la Terre, de Jupiter, du Soleil, de certaines étoiles et des galaxies.• Méthodes numériques et contrainte de conservation du flux magnétique. Étudier le magnétisme des objets cosmiques nécessite l’utilisation d’une équation dynamique décrivant l’évolution du champ magnétique : il s’agit de l’équation d’induction (4). Des solutions analytiques existent pour résoudre cette équation dans certaines configurations magnétiques simples. Mais la plupart des problèmes liés au magnétisme cosmique nécessitent le développement de programmes numériques multidimensionnels (2-D ou 3-D) pour résoudre cette équation et son comportement complexe. Ces dernières années, les chercheurs du CEA ont donc développé des programmes capables d’y parvenir, par approximation numérique. Ceci consiste à coupler l’équation d’induction, de manière non linéaire, aux équations de la mécanique des fluides. C’est le cas des programmes RAMSES, Heracles, ASH (pour Alelastic Sperical Harmonic). De nombreuses techniques numériques existent pour donner une approximation numérique à un système d’équations aux dérivées partielles (EDP) : par exemple, les différences finies, les méthodes spectrales, les éléments finis ou spectraux. De plus, deux difficultés supplémentaires surgissent quand il s’agit de modéliser un plasma magnétisé (3) Ludwig Biermann(1907-1986), astronome allemand qui a étudié les queues des comètes et leurs interactions avec le vent solaire. Il a également contribué à la physique des plasmas, notamment à l'étude de la chromosphère et de la couronne solaire. (4) Cette équation dérive des équations de Maxwell et de la loi d’Ohm. Comme pour celles-ci, il s’agit d’une équation aux dérivées partielles vectorielles : B/t = Rot x (u x B) – Rot x (eta Rot x B). Le premier terme représente l’advection, le cisaillement et la compression du champ magnétique par les mouvements du plasma ; le second, sa dissipation par l’effet Joule (« B » correspond au champ magnétique, « u » au champ de vitesse, « Rot » le rotationnel d’un vecteur, « x » le produit vectoriel et « /t » la dérivée partielle en fonction du temps. (5) James Maxwell (1831-1879) : physicien et mathématicien écossais connu pour avoir unifié en un seul ensemble d'équations, les équations de Maxwell, l'électricité, le magnétisme et l'induction, en incluant une importante modification du théorème d'Ampère. Figure 2. Émergence d’un tube de flux magnétique à la surface d’une simulation du magnétisme solaire illustrant l’apparition des taches solaires. On remarque la connectivité des lignes de champ magnétique entre l’intérieur et la basse couronne, la surface étant représentée par la grille semi-transparente (en jaune la ligne est dirigée vers le lecteur et en mauve vers l’étoile). et de comprendre l’évolution de son champ magnétique : la première vient de la conservation du flux magnétique découlant directement des équations de Maxwell (5) et la seconde de la présence d’ondes spécifiques telles que les ondes transverses incompressibles d’Alfvèn. Le Service d’astrophysique du CEA a exploité les différences finies sur grilles et les méthodes spectrales afin de traiter, le plus précisément possible, les équations de la magnétohydrodynamique (MHD). Les méthodes grilles présentent l’avantage d’une mise en œuvre simple car les équations sont directement projetées sur la grille de calcul. De plus, elles s’avèrent flexibles puisque l’on peut toujours ajouter de nouveaux points de grille, en cours d’évolution (d’où le terme de grille adaptative), pour améliorer la précision numérique du calcul et pouvoir ainsi capturer les chocs. En revanche, elles sont d’une précision limitée en fonction de l’ordre du distance normalisée vis-à-vis du rayon de Jeans 0,06 0,04 0,02 0,00 -0,02 -0,04 -0,06 t = 1,4596 (temps en unité de temps de chute libre) -0,06 -0,04 -0,02 0,00 0,02 0,04 distance normalisée vis-à-vis du rayon de Jeans 0,06 Figure 3. Formation d’un disque circumstellaire par effondrement gravitationnel d’un nuage de gaz ionisé baigné d’un champ magnétique. logarithme de la densité (g cm -3) -11 -12 -13 -14 -15 -16 -17 CLEFS CEA - N°58 - AUTOMNE 2009 149



Autres parutions de ce magazine  voir tous les numéros


Liens vers cette page
Couverture seule :


Couverture avec texte parution au-dessus :


Couverture avec texte parution en dessous :


Clefs numéro 58 Automne 2009 Page 1Clefs numéro 58 Automne 2009 Page 2-3Clefs numéro 58 Automne 2009 Page 4-5Clefs numéro 58 Automne 2009 Page 6-7Clefs numéro 58 Automne 2009 Page 8-9Clefs numéro 58 Automne 2009 Page 10-11Clefs numéro 58 Automne 2009 Page 12-13Clefs numéro 58 Automne 2009 Page 14-15Clefs numéro 58 Automne 2009 Page 16-17Clefs numéro 58 Automne 2009 Page 18-19Clefs numéro 58 Automne 2009 Page 20-21Clefs numéro 58 Automne 2009 Page 22-23Clefs numéro 58 Automne 2009 Page 24-25Clefs numéro 58 Automne 2009 Page 26-27Clefs numéro 58 Automne 2009 Page 28-29Clefs numéro 58 Automne 2009 Page 30-31Clefs numéro 58 Automne 2009 Page 32-33Clefs numéro 58 Automne 2009 Page 34-35Clefs numéro 58 Automne 2009 Page 36-37Clefs numéro 58 Automne 2009 Page 38-39Clefs numéro 58 Automne 2009 Page 40-41Clefs numéro 58 Automne 2009 Page 42-43Clefs numéro 58 Automne 2009 Page 44-45Clefs numéro 58 Automne 2009 Page 46-47Clefs numéro 58 Automne 2009 Page 48-49Clefs numéro 58 Automne 2009 Page 50-51Clefs numéro 58 Automne 2009 Page 52-53Clefs numéro 58 Automne 2009 Page 54-55Clefs numéro 58 Automne 2009 Page 56-57Clefs numéro 58 Automne 2009 Page 58-59Clefs numéro 58 Automne 2009 Page 60-61Clefs numéro 58 Automne 2009 Page 62-63Clefs numéro 58 Automne 2009 Page 64-65Clefs numéro 58 Automne 2009 Page 66-67Clefs numéro 58 Automne 2009 Page 68-69Clefs numéro 58 Automne 2009 Page 70-71Clefs numéro 58 Automne 2009 Page 72-73Clefs numéro 58 Automne 2009 Page 74-75Clefs numéro 58 Automne 2009 Page 76-77Clefs numéro 58 Automne 2009 Page 78-79Clefs numéro 58 Automne 2009 Page 80-81Clefs numéro 58 Automne 2009 Page 82-83Clefs numéro 58 Automne 2009 Page 84-85Clefs numéro 58 Automne 2009 Page 86-87Clefs numéro 58 Automne 2009 Page 88-89Clefs numéro 58 Automne 2009 Page 90-91Clefs numéro 58 Automne 2009 Page 92-93Clefs numéro 58 Automne 2009 Page 94-95Clefs numéro 58 Automne 2009 Page 96-97Clefs numéro 58 Automne 2009 Page 98-99Clefs numéro 58 Automne 2009 Page 100-101Clefs numéro 58 Automne 2009 Page 102-103Clefs numéro 58 Automne 2009 Page 104-105Clefs numéro 58 Automne 2009 Page 106-107Clefs numéro 58 Automne 2009 Page 108-109Clefs numéro 58 Automne 2009 Page 110-111Clefs numéro 58 Automne 2009 Page 112-113Clefs numéro 58 Automne 2009 Page 114-115Clefs numéro 58 Automne 2009 Page 116-117Clefs numéro 58 Automne 2009 Page 118-119Clefs numéro 58 Automne 2009 Page 120-121Clefs numéro 58 Automne 2009 Page 122-123Clefs numéro 58 Automne 2009 Page 124-125Clefs numéro 58 Automne 2009 Page 126-127Clefs numéro 58 Automne 2009 Page 128-129Clefs numéro 58 Automne 2009 Page 130-131Clefs numéro 58 Automne 2009 Page 132-133Clefs numéro 58 Automne 2009 Page 134-135Clefs numéro 58 Automne 2009 Page 136-137Clefs numéro 58 Automne 2009 Page 138-139Clefs numéro 58 Automne 2009 Page 140-141Clefs numéro 58 Automne 2009 Page 142-143Clefs numéro 58 Automne 2009 Page 144-145Clefs numéro 58 Automne 2009 Page 146-147Clefs numéro 58 Automne 2009 Page 148-149Clefs numéro 58 Automne 2009 Page 150-151Clefs numéro 58 Automne 2009 Page 152-153Clefs numéro 58 Automne 2009 Page 154-155Clefs numéro 58 Automne 2009 Page 156-157Clefs numéro 58 Automne 2009 Page 158-159Clefs numéro 58 Automne 2009 Page 160-161Clefs numéro 58 Automne 2009 Page 162-163Clefs numéro 58 Automne 2009 Page 164-165Clefs numéro 58 Automne 2009 Page 166-167Clefs numéro 58 Automne 2009 Page 168