Thèse Formation des Magnétars de l'Amplification à la Relaxation des Champs Magnétiques les Plus Extrêmes H/F - Université Paris-Saclay GS Physique

Établissement : Université Paris-Saclay GS Physique
École doctorale : Astronomie et Astrophysique d'Ile de France
Laboratoire de recherche : Astrophysique Instrumentation Modélisation
Direction de la thèse : Jérôme GUILET ORCID 0000000275188752
Début de la thèse : 2026-10-01
Date limite de candidature : 2026-04-04T23:59:59

Les magnétars sont les étoiles à neutrons arborant les plus forts champs magnétiques connus dans l'Univers, observées comme des sources galactiques de haute énergie. La formation de ces objets figure parmi les scénarios les plus étudiés pour expliquer certaines des explosions les plus violentes : les supernovae superlumineuses, les hypernovae et les sursauts gamma. Notre équipe a réussi au cours des dernières années à reproduire numériquement des champs magnétiques d'une intensité comparable à celle des magnétars en simulant des mécanismes d'amplification dynamo qui se développent dans les premières secondes après la formation de l'étoile à neutrons. La plupart des manifestations observationnelles des magnétars nécessitent cependant que le champ magnétique survive sur des échelles de temps bien plus longues (de quelques semaines pour les supernovae superlumineuses à des milliers d'années pour les magnétars galactiques). Cette thèse consistera à développer des simulations numériques 3D de relaxation du champ magnétique initialisées à partir de différents états dynamo calculés précédemment par l'équipe, en les prolongeant vers des stades plus tardifs après la naissance de l'étoile à neutrons lorsque la dynamo n'est plus active. L'étudiant.e déterminera ainsi comment le champ magnétique turbulent généré dans les premières secondes va évoluer pour éventuellement atteindre un état d'équilibre stable, dont on cherchera à caractériser la topologie et à le confronter aux observations électromagnétiques.

Les magnétars sont les étoiles à neutrons arborant les plus intenses champs magnétiques connus dans l'Univers, historiquement découverts comme des sources galactiques de haute énergie (pulsars X anormaux et sursauteurs gamma mou). La formation de ces objets figure de plus parmi les scénarios les plus étudiés pour expliquer certaines des explosions les plus violentes : les supernovae superlumineuses, les hypernovae et les sursauts gamma. L'exploitation scientifique des données de plus en plus abondantes provenant de ces différents objets - notamment de la mission SVOM lancée en 2024 - nécessite le développement de modèles plus prédictifs, en particulier au niveau des caractéristiques du champ magnétique et de son évolution. Les magnétars sont également au coeur de l'astronomie multimessagers, d'une part en étant source de contrepartie électromagnétique aux coalescences d'étoiles à neutrons (Plasse et al. in prep), et d'autre part, en tant qu'étoile à neutrons, en étant à l'origine d'une composante du signal d'une supernova galactique en ondes gravitationnelles.
Une étape majeure dans la modélisation de la formation de ces objets a récemment été franchie par notre équipe grâce aux premières simulations numériques des mécanismes d'amplification dynamo qui se développent dans les premières secondes après la formation de l'étoile à neutrons. Nous avons ainsi réussi à reproduire numériquement des champs magnétiques d'une intensité comparable à celle des magnétars par trois mécanismes dynamo différents : la dynamo convective (Raynaud et al. 2020, 2022), l'instabilité magnétorotationnelle (Reboul-Salze et al. 2021, 2022, Guilet et al. 2022), ainsi que la dynamo de Tayler- Spruit (Barrère et al. 2022, 2023, 2025). Les manifestations électromagnétiques des magnétars nécessitent cependant que le champ magnétique survive sur des échelles de temps bien plus longues : de quelques heures pour les contreparties X de la coalescence d'étoiles à neutrons, à quelques semaines pour les supernovae superlumineuses et jusqu'à des centaines de milliers d'années pour les sursauteurs gamma mous. Nous avons récemment réalisé une étude de preuve de concept faisant pour la première fois un lien direct entre le mécanisme dynamo et l'évolution à long terme du champ magnétique sur plusieurs centaines de milliers d'années (Igoshev et al.2025, Nature Astronomy). Cette étude a démontré le potentiel de notre approche pour contraindre directement le mécanisme de formation des magnétars grâce aux émissions électromagnétiques de magnétars galactiques. Par souci de simplification, nous avons cependant omis une étape cruciale de l'évolution du champ magnétique entre la fin de la phase dynamo et la formation de la croûte de l'étoile à neutrons dans les minutes qui suivent.

Cette thèse a pour objectif de combler pour la première fois le fossé entre la modélisation de la formation d'un magnétar et les temps tardifs auxquels ils peuvent être observés. Les simulations numériques de relaxation du champ magnétique seront initialisées à partir de différents états dynamo calculés précédemment par l'équipe, en les prolongeant vers des stades plus tardifs après la naissance de l'étoile à neutrons, lorsque la dynamo n'est plus active. L'étudiant.e déterminera ainsi comment le champ magnétique turbulent généré dans les premières secondes va évoluer pour éventuellement atteindre un état d'équilibre stable, dont on cherchera à caractériser la topologie et à le confronter aux observations électromagnétiques. La comparaison de ces prédictions avec les observations permettra ainsi pour la première fois de contraindre directement quel(s) mécanisme(s) dynamo est à l'oeuvre dans la formation des magnétars. Enfin, ces simulations permettront également de prédire le signal en ondes gravitationnelles continues généré par un magnétar en rotation rapide et déformé par le champ magnétique, et donc de caractériser leur détectabilité par les interféromètres présents (LIGO/VIRGO/KAGRA) et futurs (Einstein Telescope et Cosmic Exporer).

L'évolution du champ magnétique sera calculée avec le code open source de calcul parallèle MagIC qui résout les équations de la MHD en géométrie sphérique et qui est largement utilisé dans la communauté des dynamos géophysiques et astrophysiques. MagIC a été adapté par notre équipe au cas des étoiles à neutrons jeunes (Raynaud et al. 2020, Reboul-Salze et al. 2021, Barrère et al. 2023) et continuera d'être développé au cours de cette thèse afin de décrire l'évolution sur des temps plus longs. En collaboration avec Andrei Igoshev (University of Newcastle), les différentes configurations du champ magnétique seront ensuite évoluées sur plusieurs centaines de milliers d'années afin de prédire leurs signatures en rayon X.

Master recherche en astrophysique ou dynamique des fluides. Fort intérêt pour la dynamique des fluides théorique et les simulations numériques.