Magnetically driven jets and winds launched from turbulent accretion disks
Jets et vents émis et accélérés magnétiquement par les disques d'accrétion turbulents
Résumé
We observe Accretion disks around several astrophysical objects across different length scales and at very different wavelengths. Accretion disks are detected around several objects: newborn stars, compact objects in binary systems, white dwarfs in binary systems, supermassive black holes, etc. In all cases, the accretion disk has a considerable impact on the emission properties of the object. Signatures of outflows, be it jets or winds, are often observed around accretion disks. Outflow ejection from accretion disks seems to be a ubiquitous process. Moreover, it is possible to measure a correlation between the outflow emission and the accretion signatures, showing that both processes are interrelated.Disks around compact objects, like X-ray binaries and dwarf novae, are subject outbursts, powerful events where the luminosity of the system increases by several orders of magnitude. Outbursts are incredibly useful as they allow us to constrain the secular evolution of the accretion disk system. Hence, we can measure the long-term effects of accretion on the system.Accretion is the consequence of angular momentum transport in the accretion disk system. When angular momentum is removed from the system, the matter, prived from its rotational support, falls into the central object. Angular momentum can be transported radially through turbulent torques or evacuated from the system by an outflow.Historically both processes have been studied separately: (1) effective 2D models have been used to study the vertical laminar torque imposed by an outflow, (2) while 3D shearing box simulations have been used to model turbulent torques. Nonetheless, both processes appear naturally in the presence of a large-scale vertical magnetic field.Shearing box models excel at modeling the turbulence but can not accurately compute the dynamics of the outflow. In contrast, effective 2D models accurately compute the dynamics of the outflow, but they cannot resolve the 3D turbulence. Thanks to numerical improvements, it is now possible to accurately compute both torques. Indeed, 3D global simulations can accurately compute the dynamics of the outflow while resolving the turbulence. These 3D global simulations show a very different structure to the 2D effective models and point towards not understood physics. Moreover, these recent simulations show that it is possible to compute outflows with a weak magnetic field. In contrast, with self-similar solutions where no weakly magnetized solutions have been computed.However, 3D global simulations prove difficult to compare with observations due to how numerically expensive they are. Hence, 2D effective models are still useful for comparison with observations and thus need to be educated by 3D global simulations.In this manuscript, we attempt to bridge the gap between 2D effective models and global simulations. We focus on self-similar models, which are a kind of 2D effective model. First, we compute new weakly magnetized self-similar models. We analyze their properties and compare them with state-of-the-art numerical simulations of weakly magnetized accretion disks. Second, we compute global simulations of accretion disk emitting magnetized outflows. We analyze the global simulations and understand why their vertical structure is different from the one computed in 2D effective models. We then constraint the secular evolution in the system and examine how it evolves as a function of the magnetic field strength.Finally, using the insight from our 3D global simulations, we construct a new turbulence model that will lead to more accurate 2D effective models.
Les disques d'accrétion sont observés à différentes échelles spatiales et à différentes longueurs d'onde au voisinage d'une grande variété d'objets astrophysiques : étoiles en formation, binaires comprenant un objet compact ou une naine blanche, trous noirs supermassifs,... Ces disques ont un impact considérable sur les propriétés radiatives de l'objet. Par ailleurs, plusieurs observations suggèrent la présence d'écoulements, jets ou vents, émanant du disque. Ces écoulements sont extrêmement répandus et semblent être intrinsèquement liés aux disques d'accrétion. De plus, il est maintenant possible de mesurer une corrélation entre les propriétés de l'écoulement et de l'accrétion, illustrant l'interdépendance de ces deux phénomènes.Les disques autour d'objets compacts (binaires X ou novae naines), en particulier, sont extrêmement variables : la luminosité du système peut augmenter de plusieurs ordres de grandeur lors de "sursauts". Ces sursauts sont extrêmement utiles pour contraindre l'évolution séculaire du disque d'accrétion, et peuvent permettre de mesurer sur le long terme l'impact de l'accrétion sur le système.L'accrétion résulte d'un transport de moment cinétique dans le disque. Lorsque la matière accrétante perd du moment cinétique, elle perd son inertie centrifuge et tombe vers l'objet central. Le transport radial de moment cinétique peut avoir lieu par l'intermédiaire d'un couple turbulent, ou peut être dû à un écoulement emportant au loin le moment cinétique du système. Historiquement, ces deux processus ont été étudiés séparément. Des modèles 2D effectifs ont été utilisés afin d'étudier le couple laminaire dû à la présence de l'écoulement , tandis que des simulations 3D locales, avec cisaillement, ont permis de modéliser le couple turbulent. Cependant, ces deux processus résultent de la présence d'un champ magnétique vertical ordonné, à grande échelle. Les simulations locales 3D capturent parfaitement la turbulence, mais sont incapables de modéliser précisément la dynamique de l'écoulement. A l'inverse, les modèles 2D effectifs capturent cette dynamique, mais ne peuvent résoudre la turbulence (qui est intrinsèquement tridimensionnelle). De plus, l'amélioration des performances des supercalculateurs permet maintenant d'étudier à la fois les couples laminaire et turbulent dans une même simulation globale 3D. De telles simulations montrent des différences importantes par rapport aux modèles 2D effectifs, indiquant que la physique de ces disques reste mal comprise. De plus, ces simulations ont montré qu'il était possible de produire des écoulements à faible champ magnétique, ce qui entre en contradiction avec les prédictions des modèles auto-similaires. Malgré tout, les simulations 3D globales sont numériquement coûteuses, rendant leur comparaison avec les modèles 2D difficile. Ceux-ci restent un outil utile pour l'interprétation des observations, à condition qu'ils soient éduqués par des simulations 3D.Dans cette thèse, nous cherchons à combler le fossé entre modèles 2D effectifs et simulations globales 3D. Nous étudions des modèles auto-similaires, qui sont un cas particulier de modèle effectif 2D. Tout d'abord, nous découvrons de nouvelles solutions auto-similaires faiblement magnétisées. Nous analysons leurs propriétés, et les comparons avec les simulations de disques faiblement magnétisés les plus récentes. Ensuite, nous réalisons des simulations globales de disques d'accrétion avec écoulements. Nous analysons en particulier leur structure verticale, et expliquons les raisons derrière la différence avec les modèles effectifs 2D. Nous étudions également l'évolution séculaire du système, et détaillons la dépendance de cette évolution avec l'intensité du champ magnétique. Enfin, à partir de la compréhension acquise de ces simulations 3D, nous construisons un nouveau modèle de turbulence, qui conduira à la mise en place de modèles effectifs 2D plus précis.
Origine : Version validée par le jury (STAR)