Des Vents et des Jets Astrophysiques

D.A.E.C., Observatoire de Paris, 92195 Meudon Cedex, France

Résumé

L'éjection continue de plasma autour d'objets massifs est un phénomène largement répandu en astrophysique, que ce soit sous la forme du vent solaire, de vents stellaires, de jets d'étoiles en formation, de jets stellaires autour d'objets compacts ou de jets extra-galactiques. Cette zoologie diversifiée fait pourtant l'objet d'un commun effort de modélisation. Le but de cette revue est d'abord de présenter qualitativement le développement, depuis leur origine, des diverses théories de vents (Partie 1) et l'inter disciplinarité dans ce domaine. Il s'agit d'une énumération, plus ou moins exhaustive, des idées proposées pour expliquer l'accélération et la morphologie des vents et des jets, accompagnée d'une présentation sommaire des aspects observationnels. Cette partie s'abstient de tout aspect faisant appel au formalisme mathématique. Ces écoulements peuvent être décrits, au moins partiellement, en résolvant les équations magnétohydrodynamiques, axisymétriques et stationnaires. Ce formalisme, à la base de la plupart des théories, est exposé dans la Partie 2. Il permet d'introduire quantitativement les intégrales premières qu'un tel système possède. Ces dernières sont amenées à jouer un rôle important dans la compréhension des phénomènes d'accélération ou de collimation, en particulier le taux de perte de masse, le taux de perte de moment angulaire ou l'énergie du rotateur magnétique. La difficulté de modélisation réside dans l'existence de points critiques, propres aux équations non linéaires, qu'il faut franchir. La nature physique et la localisation de ces points critiques fait l'objet d'un débat important car ils sont la clef de voute de la résolution. Nous introduisons donc la notion de topologie des points critiques (Parties 3 et 4) en allant du cas le plus simple, hydrodynamique à symétrie sphérique, aux cas plus complexes, magnétohydrodynamiques et axisymétriques. Une attention particulière est donnée aux modèles auto-similaires qui, par leur approche semi-analytique, permettent de dégager des idées simples sur le problème. A la lumière de ces notions, nous pouvons confronter plus quantitativement que dans la Partie 1, les résultats obtenus par les différents modèles sur la morphologie des écoulements. Nous montrons ainsi que la collimation magnétique des vents en jets est un phénomène largement attendu d'un point de vue théorique. Cependant, si la collimation peut être conique, parabolique ou cylindrique (Partie 4), c'est la collimation cylindrique qui semble la configuration la plus favorable. La forme de la collimation peut être alors utilisée comme outil de prédiction sur les conditions physiques dans l'écoulement et à sa source.

Abstract

Plasma outflows from a central gravitating object are a widespread phenomenon in astrophysics. They include the solar and stellar winds, jets from Young Stellar Objects, jets from compact stellar objects and extra-galactic jets associated with Active Galactic Nuclei and quasars. Beyond this huge zoology, a common theoretical ground exists. The aim of this review is to present qualitatively the various theories of winds (Part 1) and how different astrophysical domains interplay. A more or less complete catalog of the ideas proposed for explaining the acceleration and the morphologies of winds and jets is intended. All this part avoids getting into any mathematical formalism. Some macroscopic properties of such outflows may be described by solving the time-independent and axisymmetric magnetohydrodynamic equations. This formalism, underlying most of the theories, is presented in Part 2. It helps to introduce quantitatively the free integrals that such systems possess. Those integrals play an important role in the basic physics of acceleration and collimation, in particular the mass loss rate, the angular momentum loss rate and the energy of the magnetic rotator. Most of the difficulty in modelling flows lies in the necessity to cross critical points, characteristic of non linear equations. The physical nature and the location of such critical points is debated because they are the clue towards the resolution. We thus introduce the notions of topology and critical points (Parts 3 and 4) from the simplest hydrodynamic and spherically symmetric case to the most sophisticated, MHD and axisymmetric cases. Particular attention is given to self-similar models which allows to give some general and simple ideas on the problem due to their semi-analytical treatment. With the use of these notions, a more quantitative comparison of the various models is given (Parts 3 and 4), especially on the shape of the flows. It is thus shown that magnetic collimation of winds into jets is a well expected result from the theory. Although, collimation may be conical, paraboloidal or cylindrical (Part 4), cylindrical collimation is the more likely to occur. The shape of outflows may then be used as a tool to predict physical conditions on the flows or on their source.