Secular Public

Contexte astrophysique

La plupart des étoiles, peut-être toutes, naissent dans des disques stellaires. Des fusions majeures ont détruit certains de ces disques assez tôt dans l'histoire de l'univers, mais certains disques ont survécu jusqu'à nos jours, y compris la Voie lactée. La compréhension de la dynamique séculaire des disques stellaires apparaît donc comme un ingrédient essentiel de la cosmologie, puisque les environnements cosmologiques des disques sont maintenant fermement établis dans le modèle ΛCDM. Les disques stellaires autogravitants sont des systèmes dynamiques froids dans 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 ce que certains stimuli soient fortement amplifiés, tandis que les résonances tendent à localiser la dissipation de cette énergie, avec pour résultat net que même une très petite perturbation peut conduire ces disques à évoluer vers des équilibres significativement distincts. Le problème de l'origine des disques épais dans notre Galaxie existe depuis un certain temps. L'intérêt pour cette question dynamique a été ravivé récemment à la lumière des données Gaia. La formation d'étoiles dans les disques stellaires se produit généralement sur les orbites circulaires du gaz, de sorte que ces jeunes étoiles devraient former un disque très mince (Wielen '77). Cependant, les observations chemo-cinématiques de vieilles étoiles dans notre Voie lactée ou dans d'autres disques galactiques ont toutes montré que les composantes épaisses sont très fréquentes. Pourtant, la formation de disques stellaires épaissis reste une énigme importante pour la théorie de la formation galactique. Les données de Gaia vues dans l'espace d'action sont, comme prévu, assez structurées dans le voisinage solaire. Certaines des crêtes observées sont peut-être transitoires, tandis que d'autres sont de nature séculaire.

Le candidat au doctorat suivra Fouvry+'15 et fera évoluer les équations de diffusion, en tenant compte de l'entrée de masse et de moment angulaire dans le disque, et en modélisant de manière cohérente le barattage (dérive du centre de guidage) et l'augmentation de la dispersion (chauffage) sur un temps de Hubble, tout en tenant compte de l'injection séculaire de gaz froid provenant de l'environnement à grande échelle (Pichon+'11). Le doctorant quantifiera l'évolution cosmique attendue de la structure verticale des populations du disque, en s'appuyant sur la généralité multi-composante du formalisme cinétique. Il s'agira de construire des équilibres épaissis de façon perturbatrice avec une cartographie dans l'espace angle action d'un modèle intégrable à un modèle non intégrable via des ajustements de fonctions génératrices. Il/elle résoudra ensuite les équations exactes du champ, construira une base de potentiels appropriée et modélisera la matrice de réponse complète afin de résoudre les équations de Balescu-Lenard et de Fokker Planck correspondantes. Enfin, il/elle dérivera les observables cinétiques correspondantes : gradients de dispersion âge-verticale et ellipsoïde de vitesse 3D en fonction de la position et de l'âge et de la population, etc. En lien avec les travaux récents sur l'équation de Balescu inhomogène pour le modèle de champ moyen Hamiltonien (Benetti+'17), une abstraction pour les résonances près d'une barre, il/elle étudiera comment le passage de séparatrices par collision peut expliquer la dissolution et/ou le gauchissement.

Objectifs

• Calculs de l'échelle de temps pour l'épaississement du disque, tout en tenant compte de l'auto-gravité, telle qu'elle est induite par, par exemple, les fluctuations du halo de matière noire, les GMC, les passages de satellites.
• Calculs des coefficients de diffusion dans l'espace orbital pour le barattage (diffusion en moment angulaire) et le chauffage (diffusion en excentricité), tout en tenant compte l'auto-gravité, telle qu'elle est induite par différents mécanismes de chauffage, par exemple les barres, les bras en spirale, les GMCs, les satellites et les fluctuations du halo.
• Caractérisation de la diffusion dans l'espace des phases étendu, c'est-à-dire prise en compte de la métallicité et de l'âge, et des signatures respectives associées aux différentes sources de chauffage.
• Solution globale asymptotique et en régime permanent pour les disques exponentiels.
• Caractérisation des signatures orbitales de diffusion au voisinage du Soleil, telles que tracées par GAIA DR2 via les marginales de DF(J,τ) et les estimateurs cinétiques correspondants.
• Théorie de la dissolution et du gauchissement des barres.
• Modèle auto-consistant pour la décantation des disques cosmiques.

Exigence

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

Cadre de travail

La thèse sera co-encadrée par Jean-Baptiste Fouvry et Christophe Pichon, dans le cadre de l'ANR SEGAL (www.secular-evolution.org).