Formation des grandes structures par la dynamique gravitationnelle dans l'univers en expansion

Formation of large-scale structures by non-linear gravitational dynamics in the expanding universe

• Auteur / Autrice : Fabien Moutarde
• Direction : René Pellat
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Terre, océan, espace
• Date : Soutenance en 1991
• Etablissement(s) : Paris 7

Résumé

L'objet de cette these est l'etude de la phase non-lineaire de l'instabilite gravitationnelle comme processus possible de la formation des structures a grande echelle de l'univers. L'approche utilisee est a la fois numerique et analytique. Un code tridimensionnel de type particules-grille a d'abrd ete mis au point. Il a ensuite ete utilise pour realiser de nombreuses simulations, d'une part de la croissance locale de surdensites isolees, et d'autre part de la formation de grandes structures a partir d'un spectre initial de fluctuations. L'etude de la formation d'amas simples isoles a permis de mettre en evidence la propension naturelle de la gravitation a former des profils de densites en loi de puissance. Ce resultat a ete confirme analytiquement dans plusieurs cas, et nous avons meme etabli une formule predisant la pente de la loi de puissance obtenue en fonction de la forme de la surdensite initiale. Nous avons aussi montre que l'evolution observee dans les simulations numeriques apres croisement de coquilles est bien decrite par un formalisme semi-analytique d'evolution auto-similaire, qui avait ete developpe en detail par fillmore et goldreich (1984). En ce qui concerne l'approche purement analytique, nous avons etabli une procedure generale de developpement perturbatif applique a l'approximation bien connue de zeldovich (1970) qui permet d'obtenir une approximation de meme type mais amelioree. Nous avons mene les calculs jusqu'a l'ordre 2 dans le cas general, et l'ordre 3 dans un cas particulier. La comparaison avec des simulations a montre que ces nouvelles approximations constituent une amelioration importante par rapport a celle de zeldovich. En effet, elles permettent, tant qu'il n'y a pas croisement de trajectoires, de decrire correctement l'evolution non-lineaire jusqu'a des contrastes de densite de l'ordre de quelques dizaines au lieu de quelques unites. Enfin, nous avons commence un travail visant a relier les proprietes locales de l'instabilite gravitationnelle evoquees plus haut aux proprietes statistiques de la repartition des galaxies. Pour cela nous avons simule, a partir de phases initiales aleatoires, l'evolution de portions d'univers. Nous avons ainsi pu, d'une part comparer les amas realistes irreguliers se formant dans ces univers aux amas idealises isoles que nous avions etudies anterieurement, et d'autre part etudier en details, a l'aide des probabilites de comptage, les proprietes statistiques tant des amas lisses idealises que des portions d'univers simules et des amas irreguliers que nous en avons extraits