Comprendre l'émergence des propriétés des galaxies grâce aux simulations numériques

Corentin Cadiou
Chargé de recherche CNRS

@cphyc.bsky.social

cphyc.github.io

Crédits : NASA & ESA

Galaxie Sombrero

M83

Galaxie “Pingouin”

Nuages de Magellan

Galaxie M87

Quels processus sont importants

pour former des galaxies diverses ?

En route pour la simulation : gravité

Erik Holmberg
Université de Lund, Suède

37 particules (!!)

En route pour la simulation : cosmologie

Crédits : Collab. Planck

\(T \approx 3\,\mathrm{K}\approx-270\,\mathrm{°C}\)

\(T = 2.725\,5 \pm 0.000\,6\,\mathrm{K}\)
(\(\pm 0.02\%\))

Nous avons des conditions initiales

En route pour la simulation : cosmologie

Nous devons simuler un Univers en expansion

Nous avons des conditions initiales

Contenu énergétique de l'Univers

Nous devons simuler un Univers en expansion

Contenu énergétique de l'Univers

Nous devons simuler un Univers en expansion

En route pour la simulation : hydrodynamique

Gravité + hydrodynamique + cosmologie

Note : taille de la Voie Lactée \(10^5\,\mathrm{ly}\)
Note : distance à la plus proche étoile : \(4\,\mathrm{ly}\)

Densité de gaz

Température

“Star formation”

“Feedback”

Toutes les bombes nucléaires testées\({}^*\) : \(2\times10^{18}\,\mathrm{J}\)

Une supernova : \(10^{44}\,\mathrm{J}\)
⇒ 50 million de milliard de milliard de fois plus

« boum »

Gaz froid et dense

\({}^*\) : ne pas essayer chez soi

Gravité + hydrodynamique + cosmologie + formation d'étoiles

Petit aparté :

Que se passe t'il quand on se trompe d'un facteur 10 sur l'énergie des supernovæ?

Si on transforme notre gaz en étoiles

Gaz

Étoiles

Galaxie du Moulinet, crédits HST

Il manque de la masse…

Crédits: Euclid/ESA

Lentille gravitationnelle

Crédits: Euclid/ESA

Trop de galaxies massives dans les observations

Crédits: Ingo Berg/Wikipedia

Tel que simulé

Observé

Courbe de rotation

Vera Rubin, 1963

Gravité + hydrodynamique + cosmologie + formation d'étoiles + matière noire

Crédits: Ingo Berg/Wikipedia

Sans matière noire

Observé / avec matière noire

Courbe de rotation

“Observations”

Crédits: Yohan Dubois / Horizon-AGN simulations

+ gaz

+ étoiles

Recette pour une bonne galaxie ?

Matière noire

Avec notre modèle

Étoiles autour du Sgr* / Crédits: ESO

Image du gaz avoisinant / EHT Collaboration

Jet radio / NASA, ESA

~ quelques minutes lumière

~100 heures lumière

~10 000 années lumière

~100 000 années lumière

Trou noir supermassif

Noyau actif de galaxie

Gravité + hydrodynamique + cosmologie + formation d'étoiles + matière noire + trous noirs supermassifs

Modèle « standard » de la formation des galaxies :

gravité + hydrodynamique + cosmologie + formation d'étoiles + matière noire + trous noirs supermassifs

Quelques problèmes restant :

taille des galaxies (trop compactes ou trop étendues)
origine et croissance des trous noirs supermassifs ?
formation des premières étoiles ?
galaxies qui se forment trop vite ?
composition chimique des galaxies ?
poussière ? rayons cosmiques ?
[...]