Thèse Segal 2024

Les propriétés spectrales de l’environnement cosmique galactique: quantification et implication pour l’évolution séculaire.

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 dynamique 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.

L'époque de stabilisation de l'environnement cosmique (le midi 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, du bruit de fond provenant de la turbulence du gaz, 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. Pour comprendre l'histoire cosmique des disques galactiques il faut donc inclure les réponses communes à tous ces divers stimuli (internes et externes).

Objectifs

Cette thèse numérique sera axé sur la mesure dans des simulations cosmologiques de l'état dynamique et de l'environnement cosmique des disques galactiques. L’étudiant devra pour se faire quantifier d'une part le champ moyen, les actions et la fonction de distribution des disques galactiques extraits de la simulation NewHorizon afin d' en faire une analyse statistique (moyenne d'ensemble, variance cosmique). Il lui faudra d'autre part characteriser les propriétés spectrales de l’environnement cosmique galactique (spectre de puissance des fluctuations du champs de force induit par le feedback et la turbulence dans le disque). Dans un troisième temps la diffusion orbitale induite sera quantifiée indépendamment dans la simulation. La mise en oeuvre de l'équation cinétique correspondante fera l'objet d'un travail ultérieur. Une approche grande deviation pourra être mise en oeuvre pour prédire aussi la variance observée dans les simulations.

Exigence

Fort intérêt pour la simulation numérique, la dynamique, la statistique.

Cadre de travail

Ce travail sera encadré par Christophe Pichon (IAP) avec l'aide de Paola di Matteo dans le cadre de l'ANR SEGAL (www.secular-evolution.org).

References et contexte