Simulations numériques de structures magnétiques d'accrétion-éjection hybrides dans les binaires X // Numerical simulations of hybrid accretion-ejection configurations in Black-Hole X-ray Binaries

Les disques d'accrétion sont des structures très répandues en astrophysique. On les trouve autour des étoiles en formation (disques protoplanétaires), des systèmes binaires en interaction tels que les variables cataclysmiques (où la primaire est une naine blanche) et les binaires X (où la primaire est soit une étoile à neutrons soit un trou noir stellaire), ou encore autour du trou noir supermassif situé au centre des galaxies actives et des quasars. Outre des signatures d'accrétion de plasma sur l'objet central, tous ces systèmes montrent également des signatures de jets (écoulements bipolaires rapides et très étroits) ou de vents (écoulements lents et massifs, non collimatés) et parfois même les deux, émis perpendiculairement au plan du disque (Ray & Ferreira 2021, Petrucci et al 2021).

Il est désormais acquis d'un point de vue théorique qu'un champ magnétique vertical à grande échelle traversant un disque ionisé permettrait de générer à la fois les jets et les vents, ainsi que leur corrélation avec l'accrétion (Ferreira 1997, Zimniak et al 2024, 2026). Les modèles théoriques montrent qu'il serait responsable non seulement de la perte de masse du disque, mais aussi des cycles d'accrétion-éjection dans les binaires X, mettant en jeu une structuration hybride du disque. La partie interne, très fortement magnétisée et produisant des jets (appelée JED, Ferreira 1997), laisserait place au-dela d'un rayon de transition à un disque faiblement magnétisé produisant des vents (appelé WED, Jacquemin-Ide et al 2019) puis un disque standard (appelé SAD) non éjectant (Ferreira et al 2006, Marcel et al. 2022).

L'objectif de la thèse sera de réaliser des simulations magnetohydrodynamiques (MHD) axisymétriques de disques hybrides JED-WED à l'aide des codes MHD (PLUTO, https://plutocode.ph.unito.it/ et/ou IDEFIX https://github.com/idefix-code ). L'étude portera sur les conditions nécessaires à la réalisation stationnaire de tels disques hybrides, en jouant notamment sur les profils de turbulence MHD. Une attention particulière sera portée à l'étude de la dynamique de la zone de transition entre le JED et le WED et à celle de l'interaction entre le jet rapide interne et le vent lent externe.

Une fois que les conditions d'obtention d'une configuration hybride stationnaire auront été trouvées, de nombreuses applications pourront alors être explorées dans le contexte des systèmes binaires X. Parmi celles-ci, nous explorerons l'impact de l'évolution du rayon de transition JED-WED sur la dynamique des jets. En effet, ce rayon est amené à varier au cours d'un sursaut d'activité (Marcel et al 2022), avec des conséquences non explorées sur les propriétés de collimation des jets. Un autre aspect, potentiellement à très fort impact, sera l'étude du couplage entre la dynamique d'accrétion-éjection et l'épaisseur du disque, elle-même dépendante de l'équilibre thermique du disque (Marcel et al 2018). Inaccessible avec des simulations 3D, cette exploration pourra etre aisément conduite avec des simulations 2D.

Enfin, une contrepartie analytique et semi-analytique sera également être envisagée. Il s'agira en effet d'obtenir des solutions auto-similaires de disques à faible magnétisation «épaissis» (puffy en Anglais, voir Jacquemin-Ide et al 2021). De telles solutions n'existent pas encore et sont pourtant requises pour expliquer les vents émis par les WED dans de nombreux objets astrophysiques. L'obtention de ces nouvelles solutions va nécessiter de s'appuyer sur les prescriptions turbulentes utilisées pour les simulations numériques 2D stationnaires.
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Accretion disks are very common structures in astrophysics. They are found around forming stars (protoplanetary disks), interacting binary systems such as cataclysmic variables (where the primary is a white dwarf) and X-ray binaries (where the primary is either a neutron star or a stellar black hole), or around the supermassive black hole at the center of active galaxies and quasars. In addition to plasma accretion signatures on the central object, all these systems also show signatures of jets (fast and very narrow bipolar flows) or winds (slow and massive, uncollimated flows), and sometimes even both, emitted perpendicular to the plane of the disk (Ray & Ferreira 2021, Petrucci et al. 2021).

It is now theoretically established that a large-scale vertical magnetic field passing through an ionized disk would generate both jets and winds, as well as their correlation with accretion (Ferreira 1997, Zimniak et al. 2024, 2026). Theoretical models show that it would be responsible not only for the mass loss of the disk, but also for the accretion-ejection cycles in X-ray binaries, involving a hybrid disk structure. The inner part, very strongly magnetized and producing jets (called JED, Ferreira 1997), would give way beyond a transition radius to a weakly magnetized disk producing winds (called WED, Jacquemin-Ide et al. 2019), and then to a standard, non-ejecting disk (called SAD) (Ferreira et al. 2006, Marcel et al. 2022).

The objective of this thesis is to perform axisymmetric magnetohydrodynamic (MHD) simulations of JED-WED hybrid disks using MHD codes (PLUTO, https://plutocode.ph.unito.it/ and/or IDEFIX, https://github.com/idefix-code). The study will focus on the conditions necessary for the stationary formation of such hybrid disks, particularly by manipulating MHD turbulence profiles. Special attention will be paid to the dynamics of the transition zone between the JED and the WED, and to the interaction between the internal fast jet and the external slow wind.

Once the conditions for obtaining a stationary hybrid configuration have been established, numerous applications can then be explored in the context of X-ray binary systems. Among these, we will explore the impact of the evolution of the JED-WED transition radius on jet dynamics. Indeed, this radius varies during an activity burst (Marcel et al., 2022), with unexplored consequences on the collimation properties of the jets. Another potentially high-impact aspect will be the study of the coupling between accretion-ejection dynamics and disk thickness, itself dependent on the disk's thermal equilibrium (Marcel et al., 2018). Inaccessible with 3D simulations, this exploration can be easily conducted with 2D simulations.

Finally, an analytical and semi-analytical approach will also be considered. This will involve obtaining self-similar solutions for 'puffy' disks with low magnetization (see Jacquemin-Ide et al., 2021). Such solutions do not yet exist, yet they are required to explain the winds emitted by WEDs in many astrophysical objects. Obtaining these new solutions will require leveraging the turbulent prescriptions used for stationary 2D numerical simulations.
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Début de la thèse : 01/10/2026

Public funding alone (i.e. government, region, European, international organization research grant)

Concours pour un contrat doctoral

Université Grenoble Alpes

47 PHYS - Physique

La maitrise de la MHD est absolument nécessaire, ainsi qu'un attrait fort, voire des compétences déjà avérées, pour les simulations numériques (HPC).
Mastery of MHD is absolutely necessary, as well as a strong interest, or even proven skills, in numerical simulations (HPC).