Arno Vanthieghem travaille à l’interface entre la physique théorique et computationnelle des plasmas astrophysiques, l’astrophysique multimessager et l’astrophysique de laboratoire. Il développe des modèles cinétiques de plasmas fondés sur les premiers principes, qu’il confronte à des simulations numériques haute performance de type Particle-In-Cell (PIC), afin de décrire des phénomènes astrophysiques extrêmes. En peu de temps, il a apporté des contributions majeures à la physique des ondes de choc sans collisions — qu’elles soient relativistes ou non, faiblement ou fortement magnétisées, voire dominées par le rayonnement — faisant ainsi progresser de manière significative notre compréhension des processus plasmas dans ces environnements extrêmes.
Dans une série de publications, il a proposé une description théorique nouvelle et avancée du chauffage du plasma et du partage d’énergie entre électrons et ions dans la couche de transition des ondes de choc astrophysiques faiblement magnétisées, qu’il a validée par des simulations PIC. Longtemps resté une énigme théorique, ce problème revêt une importance fondamentale pour l’interprétation des émissions observées, issues des électrons chauffés par choc dans des sources astrophysiques allant des rémanents de supernovae aux jets relativistes.
S’appuyant sur ces travaux, Arno Vanthieghem a ensuite fait progresser notre compréhension de la physique cinétique des ondes de choc dominées par le rayonnement, qui se propagent dans des milieux denses et génèrent les premiers signaux radiatifs de phénomènes transitoires, tels que l’émission prompte des sursauts gamma. Ses modèles théoriques et numériques ont notamment mis en évidence de nouveaux phénomènes dissipatifs, ouvrant des perspectives inédites pour la modélisation du rayonnement associé à ces événements.
Plus récemment, il a réalisé les premières simulations numériques cinétiques d’ondes de choc relativistes magnétisées se formant dans les magnétosphères des magnétars, et a proposé un modèle théorique de leur structure, offrant ainsi une nouvelle fenêtre sur les processus à l’origine des énigmatiques sursauts radio rapides (Fast Radio Bursts).
Ses recherches se distinguent par une combinaison remarquable de méthodes théoriques, semi-analytiques et numériques. Ses résultats font de lui un expert internationalement reconnu dans la modélisation des ondes de choc et la physique des plasmas dans des contextes astrophysiques extrêmes.
