L'émergence des lois d'échelles galactiques

Les disques galactiques sont actuellement observés partout par le télescope James Webb. Mais pourquoi de tels disques fins survivent-ils dans le modèle de concordance ? Cette question a longtemps été mise de côté comme une conséquence évidente de la conservation du moment angulaire. La véritable réponse est plus subtile et éclairante pour l'astronomie. Elle implique de capturer des processus baryoniques induits par la gravité opérant à plusieurs échelles, qui travaillent spontanément à établir un niveau remarquablement efficace d'autorégulation. Cette régulation est responsable de la résilience des disques et de la faible dispersion des lois d'échelle observées (Tully-Fisher, relations d'accélération radiale, etc.).

Contexte astrophysique

Une modélisation précise de la diversité morphologique des galaxies au fil du temps cosmique est essentielle pour obtenir des estimations précises des paramètres cosmologiques à partir des relevés galactiques qui se basent sur la morphologie, comme Euclid et LSST. Une pièce clé manquante dans notre compréhension de l’Univers est la persistance des disques galactiques minces et le rôle qu'ils jouent dans l'émergence de lois d'échelle serrées. L’hypothèse dominante pour leur dynamique à long terme est que l’Univers est entré dans une période calme il y a environ 10 milliards d'années. Cependant, le modèle cosmologique standard suppose un environnement passé perturbé, avec des signatures significatives identifiées par Gaia au sein de la Voie lactée. Cette thèse vise à tester si la tension entre ces deux hypothèses peut être résolue : comment la formation des galaxies peut-elle conspirer avec les flux cosmiques pour établir une machine auto-régulée efficace produisant les disques fins observés par le télescope James Webb (JWST) à des décalages spectraux élevés et faibles ? Quelles sont les implications d’une telle auto-régulation sur la précision des relations d'échelle observées ? Pourquoi cela est-il crucial pour la science des relevés morphologiques ?

Disques galactiques et auto-régulation

Les disques galactiques sont immergés dans diverses sources de perturbations et de flux entrant. Cette thèse montrera que ces processus, qui isolément auraient un impact destructeur sur les disques fins, conspirent en réalité pour maintenir leur stabilité. L'émergence — définie comme « l’apparition de caractéristiques nouvelles et cohérentes à travers l’auto-organisation dans les systèmes complexes » — d’une structure ordonnée improbable (un disque massif mais mince) est paradoxalement rendue possible par les chocs et la turbulence induits dans la composante gazeuse sous-dominante, qui peut rayonner la majorité de l'entropie générée depuis le milieu circumgalactique (CGM), agissant comme un réservoir d’énergie rotationnelle libre. L'interaction entre la gravité et la physique baryonique met en place une boucle d'auto-régulation proche de la stabilité marginale, dont l'efficacité augmente avec le temps cosmique : plus le disque est fin, plus il est auto-régulé ; plus le couplage interne est serré, plus le disque est mince. Cette auto-régulation émergente resserre à son tour la plupart des lois d'échelle galactiques, en liant les propriétés baryoniques des galaxies (sSFR, métallicité, densité de surface stellaire, etc.) à leurs propriétés dynamiques (masse de halo, distribution du moment angulaire, etc.). Un tel cadre explique également naturellement l’émergence induite de relations d'échelle serrées.

Méthodes

Grâce à des validations antérieures de la théorie cinétique appliquée aux systèmes stellaires, qui ont capturé le rôle du chauffage par diffusion orbitale sur l'évolution séculaire des disques (Roulé+’24), et aux développements très récents de la théorie des grandes déviations (Feliachi+’24), nous sommes désormais en mesure de mettre en œuvre des modèles quasi-linéaires dissipatifs ouverts pour tenir compte du refroidissement du gaz, afin d’atteindre une compréhension cohérente de l’homéostasie (alias régulation thermique), réalisée via des boucles de rétroaction accélérées par les marées gravitationnelles. Le doctorant capturera l'évolution des disques auto-gravitants comme des structures dissipatives émergentes, tout en tenant compte du rôle régulateur des flux de gaz froid entrant.

Une fois sa thèse terminé, le doctorant aura démontré en détail comment la gravité avec les baryons fournit une causalité descendante, depuis la toile cosmique, via le milieu circumgalactique (CGM), jusqu'à la formation turbulente des étoiles et la rétroaction contrôlée par les marées dans le milieu intra-galactique. La doctorante expliquera l'apparition, et surtout la résilience au cours du temps cosmique, de ces structures galactiques fragiles. Il expliquera également pourquoi la plupart des lois d'échelle galactiques sont si précises, grâce à cette auto-régulation. Finalement, le doctorant fournira des moyens de marginaliser les biais correspondants (par exemple, dispersion intrinsèque, par type d’environnement) pour améliorer les estimations des paramètres cosmologiques. Cela éclairera comme archétype les relations d’échelle précises émergentes pouvant être analysées en détail, tout en expliquant la diversité morphologique des galaxies.

Objectifs du doctorat

L’intégration de l’auto-régulation sera le cœur scientifique de ce doctorat. Le doctorant fera des prédictions claires sur l’époque de formation des disques et expliquera pourquoi et comment les disques galactiques conspirent pour maintenir cet état improbable, ainsi que les signatures observationnelles correspondantes.

Les objectifs scientifiques de la thèse sont les suivants :

  1. Démontrer comment les processus baryoniques induits par la gravité opèrent à plusieurs échelles, pour établir spontanément un niveau remarquablement efficace d'auto-régulation, resserrant les lois d'échelle galactiques.
  2. Développer des modèles théoriques et des algorithmes numériques pour suivre l’amincissement des disques sur des temps cosmiques (séculaires), en utilisant des théories cinétiques étendues (ouvertes, dissipatives, grandes déviations).
  3. Interpréter les résultats en termes d’observables (fraction barre/bulbe, épaisseur des disques, lois d’échelle et dispersions des relations métallicité-cinématique ou RAR, TF, KS, etc.) adaptées aux instruments existants et futurs.

Profil recherché

Forte motivation pour l’astronomie théorique, la dynamique, le travail analytique et numérique.

Encadrement Le doctorat sera co-encadré par Christophe Pichon , Corentin Cadiou (IAP, Paris) et Maxime Trebitsch (Obs, Paris), dans le cadre du projet ANR SEGAL (http://www.secular-evolution.org).

References

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