Structuration et propriétés thermodynamiques de la matière baryonique dans l'Univers : de l'origine physique du biais cosmologique

Structuration and thermodynamical properties of the baryonic matter in the Universe : on the physical origin of cosmological bias

• Auteur / Autrice : Stéphanie Courty
• Direction : Jean-Michel Alimi
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique. Astrophysique
• Date : Soutenance en 2002
• Etablissement(s) : Paris 11

Mots clés

Mots clés libres

Cosmologie

Formation des structures aux grandes échelles de l'Univers

Formation des galaxies

Simulations numériques

Résumé

La différence entre la distribution spatiale des galaxies et celle de la matière est appelée biais cosmologique. Le décrire et discuter de son origine participent à la compréhension du processus de formation des galaxies. Nous simulons numériquement la structuration hiérarchique de la matière, l'accrétion et le refroidissement des baryons à l'intérieur de puits de potentiel formés par la matière noire. Ces simulations suivent explicitement l'évolution de la matière noire et celle de la matière baryonique dans un Univers en expansion en tenant compte d'un ensemble de processus dissipatifs ainsi que de la chimie du plasma cosmologique. Une modélisation de la formation des galaxies, basée sur des critères physiquement motivés, est incluse. Nous montrons que cette modélisation répond aux contraintes observationnelles. Bien que les différences de ''clustering'' entre galaxies et matière peuvent être décrites statistiquement à l'aide de paramètres de biais, il est nécessaire, pour comprendre le processus complexe de formation des galaxies, d'utiliser un formalisme probabiliste permettant d'extraire les caractéristiques de non-linéarité et de stochasticité de la relation de biais. Cette relation dépendant de la thermodynamique des baryons, celle-ci doit être décrite précisément. Nous introduisons alors, dans la simulation, les processus de non-équipartition entre les ions, les neutres et les électrons du plasma cosmologique. Nous discutons en détail de l'influence de ces processus sur la distribution spatiale et les propriétés thermodynamiques des baryons dans des structures moyennement denses à des époques précédant la réionisation. Nous montrons alors que la formation des galaxies de faible masse est inhibée à grand redshift, modifiant la relation de biais cosmologique, et mettant en exergue le rôle joué par la thermodynamique des baryons dans la formation des galaxies.

The galaxy distribution is biased with respect to the underlying mass distribution. Cosmological bias is larger at high redshift. The understanding of its physical origin can give useful insights about galaxy formation. We use numerical simulations to reproduce the hierarchical structuration of the matter, the accretion and cooling of baryons into dark matter potential wells. These simulations follow explicitly the dynamical evolution of the dark matter and of the baryonic matter in an expanding Universe. They include a set of dissipative processes and follow the chemical evolution of the cosmological plasma. Galaxy formation is computed from recipes describing gas in collapsing regions. We show that galaxy-like objects are in good agreement with the observational data. Clustering differences between galaxies and mass are characterized statistically by bias parameters. However this description is inadequate to understand the complex process of galaxy formation. We take advantage of a probabilistic formalism to separate the non-linearity and stochasticity characteristics of the bias relation between the density fluctuation fields of galaxies and mass. This relation depends on the thermodynamics of baryons justifying the introduction in the simulation of the non-equipartition processes between electrons, neutrals and ions of the cosmological plasma. We discuss in detail about the influence of these processes on the spatial distribution and on the thermodynamical properties of the baryonic matter in not too dense structures at redshifts before the reionization epoch. We point out that low-mass galaxy formation is inhibited at high redshift. It turns out that the cosmological bias relation is modified, underlying the role playing by thermodynamics in the process of galaxy formation.