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Doctorat en Sciences, info:eu-repo/semantics/nonPublished

Plusieurs évènements astrophysiques comme les novae, les supernovae de type Ia (SNeIa) et les sursauts X sont le résultat d'une combustion thermonucléaire explosive dans un plasma stellaire. Les supernovae comptent parmi les objets astrophysiques les plus fascinants tant sur le plan théorique que sur celui des observations. Au moment de l'explosion, la luminosité d'une supernova peut égaler celle de l'intégralité des autres étoiles de la galaxie. On admet aujourd’hui que les SNeIa résultent de l'explosion thermonucléaire d'une étoile naine blanche, un objet dense et compact composé de carbone et d'oxygène. Divers chemins évolutifs peuvent conduire à l’explosion de la naine blanche si celle-ci est membre d’un système stellaire binaire. Néanmoins, la nature du système binaire, les mécanismes d'amorçage et de propagation de la combustion thermonucléaire ainsi que le rapport carbone/oxygène au sein de l'étoile compacte ne sont pas encore clairement identifiés à ce jour. En ce qui concerne l’écoulement réactif, on invoque ainsi une détonation (Modèle sub-Chandrasekhar), une déflagration ou la transition d'une déflagration vers une détonation (Modèle Chandrasekhar). La détonation semble donc jouer un rôle prépondérant dans l'explication des SNeIa. Les difficultés de modélisation des détonations proviennent essentiellement (i) de la libération d'énergie en plusieurs étapes, de l’apparition d’échelles de temps et de longueurs caractéristiques très différentes (ii) des inhomogénéités de densité, de température et de composition du milieu dans lequel se propage le front réactif et qui donnent naissance aux structures cellulaires et autres instabilités de propagation du front (extinctions et réamorçages locaux). En plus de celles citées ci-dessus, deux autres difficultés majeures inhérentes à l'étude de ce mode de propagation dans les plasmas stellaires sont rencontrées :la complexité de l’équation d’état astrophysique et la cinétique nucléaire pouvant impliquer plusieurs milliers de nucléides couplés par plusieurs milliers de réactions. Ainsi, les premiers travaux impliquant une combustion thermonucléaire explosive ont été réalisés sur bases d'hypothèses simplificatrices comme l'équilibre nucléaire statistique instantané des produits de réactions ou l'utilisation d'un réseau réduit à une dizaine d'espèces nucléaires. Dans tous ces travaux, la détonation est assimilée à une discontinuité totalement réactive (détonation de Chapman-Jouguet ou CJ). La résolution de l'onde de détonation nécessite l'étude détaillée du processus nucléaire se déroulant dans la zone de réaction. Malheureusement, les supports de calculs actuels ne permettent pas encore ce type de simulations pour les détonations astrophysiques. Le modèle ZND qui constitue une description unidimensionnelle stationnaire de l’écoulement (plan ou courbé) constitue une excellente approximation de la réalité. Notre travail réexamine les résultats des calculs des structures des ondes de détonations stellaires dans les conditions de température, de densité et de composition envisagées dans les travaux de ce type (détonation CJ et ZND) réalisés jusqu’à présent mais avec une équation d’état appropriée aux plasmas stellaires et une cinétique nucléaire nettement plus riche ;le plus grand réseau jamais utilisé pour ce genre d’études (333 noyaux couplés par 3262 réactions), prenant en compte les données les plus récentes de la physique nucléaire (vitesses de réaction et fonctions de partition)./Several astrophysics events like novae, supernovae and X burts, result from an explosive thermonuclear burning in stellar plasma. Type Ia Supernovae (SNeIa) count amoung the most fascinating stellar objects, they can be more brighter than an entire galaxy. Astrophysic works show that SNeIa may result from a thermonuclear explosion of a compact and dense star called carbon-oxygen white dwarf. The ignition stage and the propagation mode of the thermonuclear combustion wave are not identified yet. The Deflagration-to-Detonation Transition process (or "delayed detonation") sims to give the best overall agrements with the observations :detonations can play appart in SNeIa events. Simulating thermonuclear detonations count same difficults. The most important are the burning length scales that spent over more than ten oders of magnitud, the nuclear kinetics that involve thousands of nuclids linked by thousands of nuclear reactions and the stellar plasma equation of state (EOS). Hydrodynamical simulations of detonation use very simplified ingedients like reduced reactions network and asymptotic EOS of completely electron degenerate stellar plasma.Our work is the modelling of these detonations using more representative EOS of the stallar plasma that includs ions, electrons, radiation and electron-pistron pairs. We also use a more detailed kinetic network, comprising 331 nuclids linked by 3262 capture and photodisintegration reactions, than those usualy employed., Doctorat en Sciences, info:eu-repo/semantics/nonPublished

Plusieurs évènements astrophysiques comme les novae, les supernovae de type Ia (SNeIa) et les sursauts X sont le résultat d'une combustion thermonucléaire explosive dans un plasma stellaire. Les supernovae comptent parmi les objets astrophysiques les plus fascinants tant sur le plan théorique que sur celui des observations. Au moment de l'explosion, la luminosité d'une supernova peut égaler celle de l'intégralité des autres étoiles de la galaxie. On admet aujourd’hui que les SNeIa résultent de l'explosion thermonucléaire d'une étoile naine blanche, un objet dense et compact composé de carbone et d'oxygène. Divers chemins évolutifs peuvent conduire à l’explosion de la naine blanche si celle-ci est membre d’un système stellaire binaire. Néanmoins, la nature du système binaire, les mécanismes d'amorçage et de propagation de la combustion thermonucléaire ainsi que le rapport carbone/oxygène au sein de l'étoile compacte ne sont pas encore clairement identifiés à ce jour. En ce qui concerne l’écoulement réactif, on invoque ainsi une détonation (Modèle sub-Chandrasekhar), une déflagration ou la transition d'une déflagration vers une détonation (Modèle Chandrasekhar). La détonation semble donc jouer un rôle prépondérant dans l'explication des SNeIa. Les difficultés de modélisation des détonations proviennent essentiellement (i) de la libération d'énergie en plusieurs étapes, de l’apparition d’échelles de temps et de longueurs caractéristiques très différentes (ii) des inhomogénéités de densité, de température et de composition du milieu dans lequel se propage le front réactif et qui donnent naissance aux structures cellulaires et autres instabilités de propagation du front (extinctions et réamorçages locaux). En plus de celles citées ci-dessus, deux autres difficultés majeures inhérentes à l'étude de ce mode de propagation dans les plasmas stellaires sont rencontrées :la complexité de l’équation d’état astrophysique et la cinétique nucléaire pouvant impliquer plusieurs milliers de nucléides couplés par plusieurs milliers de réactions. Ainsi, les premiers travaux impliquant une combustion thermonucléaire explosive ont été réalisés sur bases d'hypothèses simplificatrices comme l'équilibre nucléaire statistique instantané des produits de réactions ou l'utilisation d'un réseau réduit à une dizaine d'espèces nucléaires. Dans tous ces travaux, la détonation est assimilée à une discontinuité totalement réactive (détonation de Chapman-Jouguet ou CJ). La résolution de l'onde de détonation nécessite l'étude détaillée du processus nucléaire se déroulant dans la zone de réaction. Malheureusement, les supports de calculs actuels ne permettent pas encore ce type de simulations pour les détonations astrophysiques. Le modèle ZND qui constitue une description unidimensionnelle stationnaire de l’écoulement (plan ou courbé) constitue une excellente approximation de la réalité. Notre travail réexamine les résultats des calculs des structures des ondes de détonations stellaires dans les conditions de température, de densité et de composition envisagées dans les travaux de ce type (détonation CJ et ZND) réalisés jusqu’à présent mais avec une équation d’état appropriée aux plasmas stellaires et une cinétique nucléaire nettement plus riche ;le plus grand réseau jamais utilisé pour ce genre d’études (333 noyaux couplés par 3262 réactions), prenant en compte les données les plus récentes de la physique nucléaire (vitesses de réaction et fonctions de partition)./Several astrophysics events like novae, supernovae and X burts, result from an explosive thermonuclear burning in stellar plasma. Type Ia Supernovae (SNeIa) count amoung the most fascinating stellar objects, they can be more brighter than an entire galaxy. Astrophysic works show that SNeIa may result from a thermonuclear explosion of a compact and dense star called carbon-oxygen white dwarf. The ignition stage and the propagation mode of the thermonuclear combustion wave are not identified yet. The Deflagration-to-Detonation Transition process (or "delayed detonation") sims to give the best overall agrements with the observations :detonations can play appart in SNeIa events. Simulating thermonuclear detonations count same difficults. The most important are the burning length scales that spent over more than ten oders of magnitud, the nuclear kinetics that involve thousands of nuclids linked by thousands of nuclear reactions and the stellar plasma equation of state (EOS). Hydrodynamical simulations of detonation use very simplified ingedients like reduced reactions network and asymptotic EOS of completely electron degenerate stellar plasma. Our work is the modelling of these detonations using more representative EOS of the stallar plasma that includs ions, electrons, radiation and electron-pistron pairs. We also use a more detailed kinetic network, comprising 331 nuclids linked by 3262 capture and photodisintegration reactions, than those usualy employed., Doctorat en Sciences, info:eu-repo/semantics/published

In this thesis, we construct a new hydrodynamical algorithm able of handling general compressible reactive flow problems, based on a finite-volume method inspired by the original MUSCL scheme of van Leer (1979). The algorithm is of second-order in the smooth part of the flow and avoids dimensional splitting. It uses MPI to achieve parallelism, and includes an astrophysical equation of state and a nuclear reaction network. It proves to be robust to tests cases. In particular it reproduces quite well the reactive and non-reactive results obtained with two different numerical methods (Fryxell & al. 1989, Busegnies & al. 2007). Moreover the time-dependent results are in agreement with the corresponding steady state solution. This gives us confidence in applying it to an astrophysical situation which has never been studied, the propagation of a detonation in conditions relevant to superbursts. The algorithm is described in (Noel & al. 2007).In a firt step we obtain the detonation profiles in pure carbon and in a mixture of carbon and iron. In both cases we underline the large difference between the total reaction length and the length on which some species burn. This difference leads to enormous numerical difficulties because all the length scales cannot be resolved at the same time in a single simulation. We show that the carbon detonation might be studied in a partial resolution approach like the one of Gamezo & al. (1999).In a second step we construct a new reduced nuclear reaction network able to reproduce the energy production due to the photo-disintegrations of heavy elements, like ruthenium, which are thought to occur during superbursts in mixed H/He accreting systems. Using this new nuclear network we simulate detonations in mixture of carbon and ruthenium. An interesting feature is that, in this case, all the reaction lengths can be resolved in the same simulation. This makes the C/Ru detonations easier to study in future multi-dimensional simulations than the pure carbon ones (Noel & al. 2007b).Finally we perform some numerical experiments which show that our algorithm is able to deal with initially inhomogeneous medium, and that the multi-dimensional simulations are attainable even if they are quite computational time consuming.- B. Van Leer, J. Comp. Phys. 21, 101, 1979- Fryxell, B.A. Muller, E. and Arnett, W.D. Technical report MPA 449, 1989- Busegnies, Y. Francois, J. and Paulus, G. Shock Waves, 11, 2007- Gamezo, V.N. Wheeler, J.C. Khokhlov, A.M. and Oran, E.S. ApJ, 512, 827, 1999- Noël, C. Busegnies, Y. Papalexandris, M.V. & al. A&A, 470, 653, 2007- Noël, C. Goriely, S. Busegnies, Y. & Papalexandris, M.V. submitted to A&A, 2007b/Un algorithme parallèle basé sur une méthode aux volumes finis inspirée du schéma MUSCL de Van Leer (1979) a été construit. Il a été développé sur base de la méthode de Lappas & al. (1999) qui permet de résoudre simultanément toutes les dimensions spatiales. Cette méthode se base sur la construction de surfaces appropriées dans l'espace-temps, le long desquelles les équations de bilan se découplent en équations plus simples à intégrer. Cet algorithme est actuellement le seul à éviter le "splitting" des dimensions spatiales. Dans les modèles conventionnels (PPM, FCT, etc.), l'intégration spatiale des équations est réalisée de manière unidimensionnelle pour chaque direction. Un réseau de réactions nucléaires ainsi qu'une équation d'état astrophysique ont été inclus dans l'algorithme et celui-ci a ensuite été soumis à une grande variété de cas tests réactifs et non réactifs. Il a été comparé à d'autres codes généralement utilisés en astrophysique (Fryxell & al. 1989, Fryxell & al. 2000, Busegnies & al. 2007) et il reproduit correctement leurs résultats. L'algorithme est décrit dans Noël & al. (2007).Sur base de cet algorithme, les premières simulations de détonation dans des conditions thermodynamiques représentatives des Superbursts ont été réalisées. Différentes compositions du milieu ont été envisagées (carbone pur, mélange de carbone et de fer, mélange de carbone et de cendres du processus rp). Dans la plupart des systèmes où des Superbursts ont été observés, la matière accrétée est un mélange d'hydrogène et d'hélium. Dans ce cas, des phases de combustion précédant le Superburst produisent des nucléides plus lourd que le fer (Schatz & al. 2003). Ces nucléides peuvent être photodésintégrés durant le Superburst. Pour prendre en compte ces réactions endothermiques de photodésintégration, nous avons construit un nouveau réseau réduit de réactions nucléaires qui a été incorporé dans l'algorithme hydrodynamique (Noël & al. 2007b). Ce réseau réduit reproduit globalement l'énergétique d'un réseau complet et a permis de faire la première simulation numérique de détonation dans des conditions caractéristiques de systèmes accréteurs d'un mélange hydrogène-hélium. Finallement quelques simulations multidimensionelles préliminaires ont éte réalisées.- Busegnies, Y. Francois, J. and Paulus, G. Shock Waves, 11, 2007- Fryxell, B.A. Muller, E. and Arnett, W.D. Technical report MPA 449, 1989- Fryxell, B.A. Olson, K. Ricker, P. & al. ApJS, 131, 273, 2000- Lappas, T. Leonard, A. and Dimotakis, P.E. SIAM J. Sci. Comput. 20, 1064, 1999- Noël, C. Busegnies, Y. Papalexandris, M.V. & al. A&A, 470, 653, 2007- Noël, C. Goriely, S. Busegnies, Y. & Papalexandris, M.V. submitted to A&A, 2007b- Röpke, F. K. PhD thesis, Technischen Universitat Munchen, 2003- Schatz, H. Bildsten, L. Cumming, A. and Ouellette, M. Nuclear Physics A, 718, 247, 2003- Van Leer, B. Comp. Phys. 21, 101, 1979- Weinberg, N.N. and Bildsten, L. ArXiv e-prints, 0706.3062, 2007, Doctorat en Sciences, info:eu-repo/semantics/nonPublished

In this thesis, we construct a new hydrodynamical algorithm able of handling general compressible reactive flow problems, based on a finite-volume method inspired by the original MUSCL scheme of van Leer (1979). The algorithm is of second-order in the smooth part of the flow and avoids dimensional splitting. It uses MPI to achieve parallelism, and includes an astrophysical equation of state and a nuclear reaction network. It proves to be robust to tests cases. In particular it reproduces quite well the reactive and non-reactive results obtained with two different numerical methods (Fryxell & al. 1989, Busegnies & al. 2007). Moreover the time-dependent results are in agreement with the corresponding steady state solution. This gives us confidence in applying it to an astrophysical situation which has never been studied, the propagation of a detonation in conditions relevant to superbursts. The algorithm is described in (Noel & al. 2007). In a firt step we obtain the detonation profiles in pure carbon and in a mixture of carbon and iron. In both cases we underline the large difference between the total reaction length and the length on which some species burn. This difference leads to enormous numerical difficulties because all the length scales cannot be resolved at the same time in a single simulation. We show that the carbon detonation might be studied in a partial resolution approach like the one of Gamezo & al. (1999). In a second step we construct a new reduced nuclear reaction network able to reproduce the energy production due to the photo-disintegrations of heavy elements, like ruthenium, which are thought to occur during superbursts in mixed H/He accreting systems. Using this new nuclear network we simulate detonations in mixture of carbon and ruthenium. An interesting feature is that, in this case, all the reaction lengths can be resolved in the same simulation. This makes the C/Ru detonations easier to study in future multi-dimensional simulations than the pure carbon ones (Noel & al. 2007b). Finally we perform some numerical experiments which show that our algorithm is able to deal with initially inhomogeneous medium, and that the multi-dimensional simulations are attainable even if they are quite computational time consuming. - B. Van Leer, J. Comp. Phys. 21, 101, 1979 - Fryxell, B.A. Muller, E. and Arnett, W.D. Technical report MPA 449, 1989 - Busegnies, Y. Francois, J. and Paulus, G. Shock Waves, 11, 2007 - Gamezo, V.N. Wheeler, J.C. Khokhlov, A.M. and Oran, E.S. ApJ, 512, 827, 1999 - Noël, C. Busegnies, Y. Papalexandris, M.V. & al. A&A, 470, 653, 2007 - Noël, C. Goriely, S. Busegnies, Y. & Papalexandris, M.V. submitted to A&A, 2007b / Un algorithme parallèle basé sur une méthode aux volumes finis inspirée du schéma MUSCL de Van Leer (1979) a été construit. Il a été développé sur base de la méthode de Lappas & al. (1999) qui permet de résoudre simultanément toutes les dimensions spatiales. Cette méthode se base sur la construction de surfaces appropriées dans l'espace-temps, le long desquelles les équations de bilan se découplent en équations plus simples à intégrer. Cet algorithme est actuellement le seul à éviter le "splitting" des dimensions spatiales. Dans les modèles conventionnels (PPM, FCT, etc.), l'intégration spatiale des équations est réalisée de manière unidimensionnelle pour chaque direction. Un réseau de réactions nucléaires ainsi qu'une équation d'état astrophysique ont été inclus dans l'algorithme et celui-ci a ensuite été soumis à une grande variété de cas tests réactifs et non réactifs. Il a été comparé à d'autres codes généralement utilisés en astrophysique (Fryxell & al. 1989, Fryxell & al. 2000, Busegnies & al. 2007) et il reproduit correctement leurs résultats. L'algorithme est décrit dans Noël & al. (2007). Sur base de cet algorithme, les premières simulations de détonation dans des conditions thermodynamiques représentatives des Superbursts ont été réalisées. Différentes compositions du milieu ont été envisagées (carbone pur, mélange de carbone et de fer, mélange de carbone et de cendres du processus rp). Dans la plupart des systèmes où des Superbursts ont été observés, la matière accrétée est un mélange d'hydrogène et d'hélium. Dans ce cas, des phases de combustion précédant le Superburst produisent des nucléides plus lourd que le fer (Schatz & al. 2003). Ces nucléides peuvent être photodésintégrés durant le Superburst. Pour prendre en compte ces réactions endothermiques de photodésintégration, nous avons construit un nouveau réseau réduit de réactions nucléaires qui a été incorporé dans l'algorithme hydrodynamique (Noël & al. 2007b). Ce réseau réduit reproduit globalement l'énergétique d'un réseau complet et a permis de faire la première simulation numérique de détonation dans des conditions caractéristiques de systèmes accréteurs d'un mélange hydrogène-hélium. Finallement quelques simulations multidimensionelles préliminaires ont éte réalisées. - Busegnies, Y. Francois, J. and Paulus, G. Shock Waves, 11, 2007 - Fryxell, B.A. Muller, E. and Arnett, W.D. Technical report MPA 449, 1989 - Fryxell, B.A. Olson, K. Ricker, P. & al. ApJS, 131, 273, 2000 - Lappas, T. Leonard, A. and Dimotakis, P.E. SIAM J. Sci. Comput. 20, 1064, 1999 - Noël, C. Busegnies, Y. Papalexandris, M.V. & al. A&A, 470, 653, 2007 - Noël, C. Goriely, S. Busegnies, Y. & Papalexandris, M.V. submitted to A&A, 2007b - Röpke, F. K. PhD thesis, Technischen Universitat Munchen, 2003 - Schatz, H. Bildsten, L. Cumming, A. and Ouellette, M. Nuclear Physics A, 718, 247, 2003 - Van Leer, B. Comp. Phys. 21, 101, 1979 - Weinberg, N.N. and Bildsten, L. ArXiv e-prints, 0706.3062, 2007, Doctorat en Sciences, info:eu-repo/semantics/published