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Dynamique stellaire dans les centres galactiques

Contexte astrophysique

Les trous noirs supermassifs sont omniprésents dans les galaxies externes, et leur rétroaction joue un rôle essentiel dans la régulation de la formation des galaxies au cours de l'évolution de l'univers. Cependant, les détails de leur dynamique et de leur impact sur l'amas stellaire l'environnant restent une question très ouverte et difficile. En effet, les noyaux galactiques sont des systèmes dynamiques fascinants, en particulier parce que le puits de potentiel généré par le trou noir supermassif BH garantit l'existence d'un large éventail d'échelles de temps dynamiques dans le système.

Ainsi, l'évolution dynamique de l'amas stellaire entourant le trou noir comprend de nombreux processus d'évolution agissant sur des échelles de temps radicalement différentes. Il s'agit notamment de : (i) le temps dynamique, généré par le mouvement képlérien rapide autour du trou noir central. Suite à cette orbite moyenne, les étoiles peuvent être formellement remplacées par leur ellipse képlérienne sous-jacente ; (ii) le temps de précession, pendant lequel les ellipses subissent une précession de leur péricentre générée par le potentiel moyen de l'amas stellaire et les corrections relativistes du trou noir ; (iii) le temps de relaxation résonante vectorielle, pendant lequel les orientations orbitales stellaires suivent des marches aléatoires induites par les perturbations de N-fini ; (iv) le temps de relaxation résonante scalaire, pendant lequel les couples résonants entre les ellipses en précession conduisent à la relaxation de leur excentricité ; (v) le temps de relaxation non résonante qui est à l'origine de la relaxation des énergies des ellipses et qui est permis par les déflections locales entre paires d'étoiles.

En raison du grand nombre de ses constituants (~1 million d'étoiles dans la sphère d'influence du trou noir central de la Voie lactée), et de la gamme très importante d'échelles de temps allant de 1 an pour le temps dynamique rapide des étoiles les plus internes jusqu'à 10 milliards d'années pour la durée de vie globale du centre galactique, les explorations numériques directes de l'évolution à long terme d'un tel système sont systématiquement vouées à l'échec.

Résumé

C'est là que se trouve le cœur du présent projet de doctorat. Son objectif est d'aborder l'évolution à long terme des noyaux galactiques en utilisant un cadre nouveau et innovant issu de la théorie cinétique.

À ce titre, le thésitif développera, adaptera et appliquera les théories cinétiques à longue portée et à long terme dans le contexte de la dynamique stellaire autour des trous noirs supermassifs. Une fois terminé, ce projet aura véritablement mis en lumière la polyvalence de la théorie séculaire pour décrire l'évolution à long terme des centres galactiques.

Objectifs

• En s'appuyant sur Giral et al. (2020), le thésitif caractérisera l'efficacité avec laquelle des étoiles ayant des orientations similaires sont lentement séparées par les fluctuations du potentiel gravitationnel. En particulier, le thésitif utilisera l'observation récente d'un disque stellaire au centre de la Voie lactée pour contraindre les propriétés de l'amas stellaire environnant qui pourrait entraîner la dissolution spontanée de ce disque.
• En raison de leur gigantesque gamme d'échelles de temps, les simulations numériques des noyaux galactiques sont très difficiles, et nécessitent des moyennes orbitales appropriées et adaptées. Dans le prolongement de Fouvry et al. (2020), le thésitif concevra une méthode multipolaire efficace pour suivre directement l'évolution des orientations stellaires pendant le processus de relaxation résonante vectorielle.
• Dans le prolongement de Szolgyen & Kocsis (2018), le thésitif étudiera les états d'équilibre thermodynamiques à long terme des orientations stellaires dans les centres galactiques. Peut-on prédire la présence de disques de trous noirs de masse intermédiaire dans les centres galactiques ?

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).