The non-resonant streaming instability : from theory to experiment

L'instabilité non-résonnante de dérive : de la théorie à l'expérience Les rayons cosmiques peuvent alimenter la croissance exponentielle d'un champ magnétique préexistant en déclenchant des instabilités qui grandissent grâce au mouvement de dérive collectif des particules. Parmi les différentes instabilités de dérive, le mode non-résonnant, aussi appelé mode de Bell, a fait l'objet d'une attention croissante car il peut amplifier le champ magnétique au-delà de son intensité initiale, et génère la turbulence nécessaire pour aider au confinement et à à accélération des rayons cosmiques. De manière générale, il peut se développer dans une grande variété d'environnements, allant des nuages moléculaires froids et denses au milieu intergalactique chaud et diffus.Ce travail vise à élucider le comportement de l'instabilité non-résonante de dérives des rayons cosmiques dans de tels environnements, où les effets thermiques et collisionnels peuvent modifier considérablement sa croissance et sa saturation. Nous décrivons d'abord l'instabilité dans le cadre de la théorie fluide en mettant l'accent sur le mécanisme physique conduisant à l'amplification exponentielle des perturbations électromagnétiques, et obtenons des prédictions analytiques du taux de croissance pour des éléments ioniques arbitraires. En raison de sa nature non-résonante, une description fluide est suffisante pour saisir les principales caractéristiques de l'instabilité lorsque la température du plasma ambiant est négligeable. Pour étudier l'instabilité dans les environnements chauds, où les effets du rayon de Larmor fini sont importants, nous recourons à la théorie cinétique linéaire et étendons les résultats analytiques existants au cas d'ions découplés des perturbations magnétiques. Nous obtenons que les longueurs d'onde instables ne sont pas entièrement supprimées, mais sont plutôt déplacées vers des échelles plus grandes avec un taux de croissance fortement réduit.Les résultats de la théorie linéaire sont confirmés, et étendus à l'évolution non-linéaire dans la deuxième partie de cette thèse, par des simulations multi-dimensionnelles hybrides de type ``particle in cell'' (ions cinétiques et électrons fluides). Les simulations mettent en évidence une réduction importante du niveau d'amplification du champ magnétique dans le régime chaud [Marret et al. MNRAS 2021], ce qui indique qu'il peut être limité dans les plasmas astrophysiques chauds tels que les superbulles ou le milieu intergalactique. Dans les environnements plus froids et plus denses, comme les régions H II et les nuages moléculaires, les collisions entre particules dans le plasma ambiant doivent être prises en compte. Nous étudions numériquement leur impact en incluant dans les simulations avec une méthode Monte-Carlo les collisions proton-proton et proton-hydrogène. Nous obtenons que l'instabilité est rapidement supprimée dans les plasmas faiblement ionisés, où les collisions proton-hydrogène dominent. Ces résultats de simulations cinétiques confirment quantitativement les calculs existants de la théorie linéaire multifluide. En revanche, nous constatons que les collisions coulombiennes favorisent de manière inattendue le développement de l'instabilité dans les plasmas entièrement ionisés, en réduisant des anisotropies de pression auto-générées qui autrement s'opposeraient à sa croissance.Les simulations numériques sont actuellement le seul moyen d'étudier l'évolution non-linéaire de l'instabilité et d'obtenir des estimations quantitatives de l'intensité du champ magnétique après saturation. La dernière partie de cette thèse est consacrée à la conception d'expériences dédiées à la vérification des prédictions de la théorie linéaire et des simulations. Nous décrivons les conditions requises sur les paramètres du plasma pour générer l'instabilité dans une expérience, et proposons deux configurations possibles basées sur les installations laser haute puissance existantes, en visant à observer et caractériser le mode non-résonant pour la première fois en laboratoire.