Magnetised stratified turbulence and dynamo effect in the intracluster medium

L'Univers tout entier est imprégné de champs magnétiques, et ses échelles les plus grandes n'y font pas exception. À ces échelles se trouvent justement des amas de galaxies - le point culminant de la formation hiérarchique des structures - qui ne se sont formés que récemment dans l'histoire de l'Univers. Situés aux nœuds de la toile cosmique, ils figurent parmi les systèmes astrophysiques gravitationnellement liés les plus massifs dans l'Univers. De la matière noire, des champs magnétiques, et un plasma chaud et diffus, appelé le milieu intra-amas (ICM, de l'anglais intracluster medium), qui brille presque exclusivement dans des longueurs d'onde X et radio, imprègnent l'espace entre les galaxies dans les amas. Beaucoup de questions relatives à l'astrophysique des amas de galaxies demeurent non-résolues, dont notamment la catastrophe de refroidissement, le biais de masse hydrostatique, l'enrichissement et le mélange des espèces chimiques, et l'origine des champs magnétiques dans les amas, pour n'en citer que les exemples les plus remarquables. Sans aucun doute, un dénominateur commun entre ces divers problèmes est la dynamique interne magnétisée fluide, à grande échelle de l'ICM des amas de galaxies. Cette dernière n'en reste pas moins mal contrainte car observer l'ICM dans les bandes de fréquence pertinentes est intrinsèquement et techniquement très difficile.Le but principal de cette thèse a été d'améliorer notre compréhension d'un vecteur efficace éventuel de dynamique interne turbulente et magnétisée dans l'ICM, l'instabilité magnéto-thermique (MTI, de l'anglais magneto-thermal instability) - un processus magnétohydrodynamique (MHD) fondamental probablement à l'œuvre dans les halos des amas de galaxies. Nous avons procédé en quatre étapes, en suivant un fil rouge de complexité théorique croissante, c'est-à-dire de la physique sondée la plus linéaire à la plus non-linéaire. Premièrement, nous avons contraint la physique et l'énergétique de la MTI linéaire et montré que ses modes propres se développent aux échelles des amas ; par la suite, nous avons davantage éclairci les caractéristiques d'une dynamique magnéto-thermique non-linéaire, compressible, globale et développé une théorie de longueur de mélange diffusive afin d'unifier deux théories auparavant dissonantes de sa saturation et de son transport dans l'ICM. Nous nous sommes ensuite attaqués au problème de l'amplification de champs magnétiques au moyen de turbulence magnéto-thermique par un effet de dynamo fluide - un processus particulier qui pourrait expliquer la géométrie entremêlée, isotrope, et à plutôt petite échelle des champs magnétiques inférés dans les amas. Finalement, armés d'une compréhension théorique à la pointe de l'état de l'art de la dynamique magnéto-thermique dans les amas, nous avons évalué sa possible détectabilité observationnelle dans l'ICM avec un futur instrument, le X-ray Integral Field Unit (X-IFU) à bord de ATHENA, et trouvé qu'elle ne serait vraisemblablement pas détectable, bien que seulement de manière marginale. Somme toute, nos résultats montrent que la caractérisation des particularités d'une dynamique stratifiée et magnétisée au sein de l'ICM est d'une importance capitale pour de futures observations et afin d'approfondir notre compréhension de la structure à grande échelle, dont les amas de galaxies font partie.