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La mise en place des disques minces comme processus emergent

Contexte Astrophysique

La plupart des étoiles naissent dans des disques stellaires. Des fusions majeures détruisent certains de ces disques de façon récurrente dans l'histoire de l'Univers, mais certains ont survécu jusqu'à aujourd'hui, y compris notre propre Voie lactée. Comprendre la survie à long terme de ces disques stellaires est donc un ingrédient essentiel de la cosmologie moderne. La stabilisation de l'épaisseur des disques (minces et épais) dans notre Galaxie est également un problème dy- namique qui a récemment été relancé à la lumière de récents relevés astrométriques. La formation des étoiles se produit généralement sur les orbites circulaires (sans intersection) du gaz, de sorte que les jeunes étoiles forment typiquement un disque très mince. Cependant, les observations chemo-dynamiques des vieilles étoiles de la Voie lactée ont toutes montré que les disques épais sont également très courants. La formation simultanée de disques stellaires minces et épais (galaxies S0 et Sc) est donc une énigme importante pour la théorie de la formation des galaxies.

Divers mécanismes dynamiques, internes ou externes, ont été proposés pour expliquer l'épaississement ou le rajeunissement observé, mais leurs impacts et rôles respectifs restent à quantifier. Certains événements violents majeurs contribuent à la distribution verticale étendue des étoiles dans les disques : accrétion de satellites galactiques, fusions majeures de systèmes riches en gaz, ou encore instabilités gravitationnelles dans des disques turbulents massifs. Les fusions violentes ont certainement un fort impact sur la structure galactique, mais l'épaississement des disques stellaires pourrait également résulter du chauffage lent et continu de disques minces préexistants, par le biais de multiples fusions mineures ou de processus séculaires inter- naux. Les ondes de densité induites peuvent également augmenter leur dispersion en vitesse, qui peut être convertie en mouvement vertical via des déflexions sur les nuages moléculaires géants. La migration radiale correspondante jouera également un rôle important dans leur évolution séculaire.

L'époque de stabilisation de l'environnement cosmique permet aux processus séculaires résonnants de prendre le relais pour définir la morphologie des galaxies (formation de barres, migration radiale, chauffage et épaississement du disque, etc.) Ces disques sont des systèmes dynamiques froids et donc fragiles pour lesquels la rotation fournit un important réservoir d'énergie libre, et où les résonances orbitales jouent un rôle clé. La disponibilité de cette énergie libre conduit à une forte amplification de certains stimuli, avec pour résultat net que même une petite perturbation peut en principe faire évoluer les disques vers des quasi-équilibres sensiblement distincts. Ces disques sont en outre immergés dans diverses sources de perturbations, allant des fluctuations provenant de l'environnement cosmique, des chutes cosmiques stochastiques, du bruit de fond provenant du nombre fini et de la courte durée de vie des nuages moléculaires géants dans le milieu interstellaire, aux amas globulaires et aux sous-structures en orbite autour de la galaxie. Les bras spiraux et les barres centrales fournissent d'autres sources de stimulation cohérente. L'histoire cosmique des disques galactiques doit donc inclure les réponses communes à tous ces divers stimuli (internes et externes).

Objectifs

Cette thèse sera axé sur l'étude de l'apparition cosmique des disques galactiques minces en tant que processus émergent induit par l'autorégulation entre les mécanismes de refroidissement (par exemple, l'influx coplanaire de gaz), et les processus de chauffage (fusion de petits objets virialisés, turbulence, déviation sur les nuages moléculaires, etc). Nous chercherons à montrer que l'évolution cosmique conspire à promouvoir une masse de transition dépendant du décalage vers le rouge entre une morphologie pilotée par le cosmos d'une part (par les fusions, la rétroaction forte et la turbulence), et une morphologie pilotée de manière séculaire d'autre part (qui favorise l'autorégulation autour d'un nombre Q de Toomre effectif proche de un). Grâce à ce processus, une structure nouvelle et fragile mais robuste peut émerger, pompant l'énergie libre du milieu circumgalactique tout en rayonnant efficacement l'entropie dans les chocs et la turbulence. Le disque stellaire homéostatique devrait dominer cette phase et amortir les instabilités du disque gazeux. De plus, grâce à la polarisation gravitationnelle, nous étudierons le couplage entre les anneaux d'étoiles à différents rayons devient plus fort, qui amortit les oscillations relatives au-dessus et au-dessous du plan médian, en tassant le disque. Une fois en mode séculaire, l'étudiant(e) montrera que la boucle auto-régulée stratifie verticalement les étoiles par âge, tout en préservant les profils verticaux des disques minces et épais existants. Ceci est possible parce que la formation d'étoiles et la diffusion orbitale verticale sont toutes deux régulées par le même facteur confondant, qui agite le gaz froid et diffuse la structure orbitale stellaire.

Exigence

Fort intérêt pour l'astronomie théorique, la dynamique, les travaux analytiques et numériques.

Cadre de travail

Ce travail sera co-encadrée par Adrianne Slyz, Julien Devriendt (Oxford) & Christophe Pichon (IAP), dans le cadre de l'ANR SEGAL (www.secular-evolution.org).

References

Cette video
Cette video (en anglais)
Cette présentation (en anglais) et la video correspondante.
Cette présentation et la video correspondante.
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