Soutenance de Thèse - Ph.D. Defence - Théo Lebeau

Titre : Impact des processus physiques dans et autour des amas de galaxies sur l’estimation de leur frontière et de leur masse: étude de cas de la réplique numérique de l’amas de la Vierge

Résumé de la thèse :
Les amas de galaxies sont les objets gravitationnellement liées les plus massifs de l'Univers, car ils sont l'aboutisssment de la formation hiérarchiques des grandes structures de l'Univers. Comme leur nom l'indique, ils sont constitués de galaxies, mais celles-ci ne représentent que quelques pour cent du budget de masse total. En réalité, ils sont principalement constitués de matière noire, n'interagissant que gravitationnellement, et également de gaz appelé milieu intra-amas. Sous l'action de la gravité, un profond puits de potentiel gravitationnel se forme à l'intérieur duquel les baryons sont chauffés, augmentant la pression thermique, et deviennent un plasma. En première approximation, les amas de galaxies peuvent être considérés comme des objets sphériques et isolés ayant atteint l'équilibre dynamique et thermique.

Cependant, les amas de galaxies se trouvant aux nœuds de la toile cosmique, ils accrètent continuellement de la matière provenant de leur environnement local, en particulier des filaments qui leur sont connectés, ce qui induit des chocs et du chauffage. De plus, les galaxies au sein des amas abritent des étoiles qui peuvent exploser en supernovae et des trous noirs supermassifs centraux qui peuvent émettre des rayonnements et des jets de matière, tous deux restituant de l'énergie au milieu environnant. Tous ces processus peuvent également induire de la turbulence, qui ajoute une pression non thermique, tout comme les champs magnétiques et les rayons cosmiques.

Ces processus physiques interconnectés et complexes qui se déroulent à différentes échelles dans et autour des amas de galaxies sont difficiles à étudier à partir d'observations. De plus, les approximations simplificatrices utilisées pour estimer la masse des amas de galaxies, par exemple l'équilibre hydrostatique ou la virialisation, ne peuvent pas rendre compte de toute la complexité du gaz à l'intérieur des amas, ce qui peut conduire à des estimations biaisées de leur masse à partir d'observations. Une meilleure compréhension de l'astrophysique des amas de galaxies est donc devenue essentielle pour estimer de manière plus fiable leur masse, ce qui est indispensable pour contraindre la cosmologie grâce à la distribution en masse et décalage spectral de leur population.

Le but de ma thèse de doctorat était d'explorer comment différents processus physiques influencent les propriétés du gaz du milieu intra-amas et, par conséquent, l'estimation des frontières et de la masse des amas de galaxies. J'ai mené mes études sur une simulation hydrodynamique contrainte spécifiquement pour reproduire l'amas de galaxies de la Vierge (Virgo), notre plus proche voisin, dans son environnement local.

J'ai d'abord analysé les propriétés thermodynamiques du milieu intra-amas et le mouvement du gaz à l'intérieur et autour de la réplique numérique de Virgo. J'ai montré que les processus d'accrétion et de rétroaction perturbent le milieu en générant des chocs, induisant une turbulence complexe initiée dans les filaments et entraînée vers le cœur de l'amas. De plus, j'ai montré que d'importants effets de projection dus aux filaments connectés à Virgo et aux structures voisines biaisent la reconstruction de ses propriétés à partir de quantités projetées similaires aux observations.

J'ai ensuite estimé deux propriétés générales de la réplique numérique de l'amas de la Vierge : son rayon et sa masse. Plus précisément, j'ai estimé le rayon du "splashback" dans différentes régions avec différents traceurs, montrant que ce rayon caractéristique sonde la dynamique d'accrétion des différents constituants d'un amas de galaxies dans différents régimes. Par conséquent, ce rayon doit être utilisé avec précaution pour définir la frontière d'un amas de galaxies. Enfin, j'ai estimé la masse hydrostatique, et le biais associé, démontrant que tous les processus précédemment étudiés contribuent en effet à l'absence de relaxation de Virgo, rendant l'estimation de sa masse hydrostatique peu fiable. J'ai également exploré des méthodes pour corriger l'estimation de la masse hydrostatique en tenant compte de la pression non thermique générée par le mouvement turbulent du gaz, ce qui a donné des résultats prometteurs pour de futurs calibrations de la masse des amas de galaxies.

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