Simulation of relativistic jets in high-mass microquasars

Les microquasars, sources de haute énergie composées d'un trou noir en accrétion et d'un compagnon stellaire, sont des objets astrophysiques complexes où divers phénomènes physiques entrent en jeu. Le nom microquasar trouve son origine dans les similitudes trouvées avec les quasars, un terme désuet désignant un sous-ensemble de noyaux actifs de galaxie, caractérisés notamment par la présence d'un jet relativiste visible en radio. La perte d'énergie liée à ces radiations, ainsi que d'autres processus plasma, n'est pas prise en compte lors de la simulation des jets relativistes. De plus, les études des jets de microquasars sont réalisées soit avec un écoulement relativiste sur de petites échelles (~ une séparation orbitale), soit avec un écoulement newtonien sur de grandes échelles (dizaines de séparations orbitales), mais pas relativiste sur de grandes échelles. Cette thèse de doctorat vise donc à répondre à ces deux considérations.Pour cela, j'ai développé des formules analytiques pour le refroidissement d'un plasma astrophysique, ainsi que des outils numériques visant à analyser et quantifier précisément des jets hydrodynamiques relativistes simulés. Ces outils ont ensuite été utilisés pour étudier l'impact de l'inclusion du refroidissement susmentionné dans les simulations numériques de jets hydrodynamiques relativistes sur une grande échelle spatiale et temporelle. Cette étude a été réalisée avec des configurations numériques basées sur les microquasars Cygnus X-1 et Cygnus X-3, qui ont été (provisoirement) reproduites pour cette thèse.Cette thèse a révélé que l'ajout de pertes radiatives induit un refroidissement différentiel entre le faisceau du jet et le cocon environnant. Ce refroidissement différentiel renforce la surpression de ce dernier sur le premier, ce qui modifie la structure interne du jet, accélérant la croissance de l'instabilité de Kelvin-Helmholtz, déstabilisant le jet et impactant ainsi sa structure globale et sa dynamique.Une étude paramétrique autour des paramètres choisis pour Cygnus X-1 et Cygnus X-3 a également été réalisée. Les résultats des études précédentes, tels que la flexion du jet et la perturbation du jet par le vent stellaire, sont confirmés, et l'impact de la température du jet sur sa stabilité et sa dynamique a été étudié. Un effet de seuil a été constaté : lorsque la température injectée est supérieure à la température à laquelle le premier choc de recollimation chaufferait la matière injectée de cette densité et de cette vitesse, la croissance de l'instabilité entraîne des propriétés dynamiques du jet sensiblement différentes.Microquasars, high-energy sources made of an accreting black hole and a stellar companion, are complex astrophysical objects where various physical phenomenon are at play. The name microquasar originates in the similarities found with quasars, an outdated term for a subcase of active galactic nuclei, especially the presence of a relativistic jet visible in radio. The energy loss related to these radiations, as well as other plasma processes, is not taken into account while simulating relativistic jets. Moreover, studies of microquasar jets are either performed with relativistic flow over small scales (sim one orbital separation) or Newtonian flow over large scales (tens of orbital separations), but not relativistic over large scales. This PhD thesis thus aim at filling the gap from both of these considerations.Firstly, I developed analytical formulas for the cooling of an astrophysical plasma, as well as numerical tools aiming to precisely analyse and quantify simulated relativistic hydrodynamical jets. These tools were then used to study the impact of including the aforementioned cooling in state-of-the-art numerical simulations of hydrodynamical, relativistic jets over a large spatial and temporal scale. This study was performed with numerical setups based on the microquasars Cygnus X-1 and Cygnus X-3, which were (tentatively) reproduced for this PhD.This PhD found that adding radiative losses induced a differential cooling between the jet beam and the surrounding cocoon. This differential cooling strengthens the overpressure of the latter over the former, which in turn modifies the jet internal structure, accelerating the growth of the Kelvin-Helmholtz instability, destabilising the jet and thus impacting its global structure and dynamics.A parametric study around the chosen parameters for Cygnus X-1 and Cygnus X-3 was also performed. Results from previous studies such as jet bending and jet disruption by the stellar wind are confirmed, and the impact of the jet temperature on its stability and dynamics was investigated. A threshold effect is found: when the injected temperature is greater than the temperature to which the first recollimation shock would heat injected material of this density and velocity, the instability growth results in sensibly different dynamical properties of the jet