Simulations cosmologiques des rayons cosmiques et de l’époque de réionisation

Cosmological simulations of cosmic rays and the epoch of reionisation

• Auteur / Autrice : Marion Farcy
• Direction : Jérémy Blaizot, Karl Joakim Rosdahl
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Astrophysique
• Date : Soutenance le 30/09/2022
• Etablissement(s) : Lyon 1
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de Physique et Astrophysique de Lyon (Lyon ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre de Recherche Astrophysique de Lyon (1995-....)
• Jury : Président / Présidente : Johan Richard
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jérémy Blaizot, Karl Joakim Rosdahl, Christoph Pfrommer, Adrianne Slyz, Sandrine Codis-Decara
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Christoph Pfrommer, Adrianne Slyz

Mots clés

Mots clés contrôlés

Rayonnement cosmique

Réionisation

Grand redshift

Formation des galaxies

Mots clés libres

Galaxies : formation

Galaxies : haut redshift

Epoque de réionisation

Simulations numériques

Rayons cosmiques

Ramses

Galaxies: formation

Galaxies: high redshift

Epoch of Reionisation

Numerical simulations

Cosmic rays

Ramses

Résumé

Pour comprendre l’état actuel de l’Univers, il nous faut regarder quelques centaines de milliers d’années après le Big Bang, au moment de l’Epoque de Réionisation. Cette époque, qui marque la dernière transition majeure de l’Univers de neutre à ionisé, implique la formation des premières étoiles et galaxies, et le rayonnement de ces galaxies ionisant le milieu inter-galactique. Pour déchiffrer les interactions hautement complexes des processus en jeu dans l'évolution des galaxies, les simulations numériques sont notre meilleur outil. Grâce aux simulations numériques, il est maintenant établi que le feedback - la rétroaction des processus physiques au sein des galaxies et régule leur croissance - est un ingrédient important de l'écosystème galactique. En particulier, le feedback issu des explosions des étoiles les plus massives en supernovae est considéré comme l’un des processus les plus importants régulant la formation stellaire et l’échappement des photons ionisants, mais de nombreux travaux suggèrent qu’il n'est pas suffisant seul. Dans cette thèse, j’explore les effets du feedback des rayons cosmiques, qui sont des particules chargées accélérées à des vitesse relativistes au niveau des fronts d'onde de choc, comme dans les restes des explosions de supernova. En diffusant des milieux denses à diffus le long des lignes de champ magnétique, les rayons cosmiques exercent une pression significative sur le gaz du milieu interstellaire, ce qui pourrait impacter l'échappement des photons ionisants, et donc la réionisation de l’Univers. Afin de déterminer si les rayons cosmiques jouent un rôle pendant et sur la réoinisation de l’Univers, j’ai réalisé et étudié les toutes premières simulations rayonnement-magneto-hydrodynamiques de galaxies combinant le feedback des supernovae, du rayonnement et des rayons cosmiques. J'ai pour cela utilisé le code Ramses, qui permet de réaliser des simulations avec un maillage adaptatif et qui inclut des modèles de formation stellaire et de feedback correspondant à l'état de l'art actuel. La première partie de mon travail se concentre sur des simulations idéalisées de galaxies, qui me permettent d’explorer l’effet de différents processus physiques dans des galaxies de différentes masses. Mes résultats montrent que le feedback des rayons cosmiques contribue davantage à réguler la formation stellaire dans les galaxies les moins massives, et permet de conduire des vents galactiques en plus grande proportion, plus loin et plus froids que ceux éjectés par le feedback des supernovae et du rayonnement. Dans la deuxième partie de ma thèse, je me suis basée sur les simulations cosmologiques Sphinx, qui permettent d'étudier la réionisation de l'Univers en résolvant l'échappement du rayonnement à travers le milieu interstellaire de centaines de galaxies. J'ai réalisé une suite de simulations Sphinx d'un volume de 5 cMpc de large et qui incluent rayons cosmiques et rayonnement-magneto-hydrodynamique, et ai re-simulé pareillement deux halos massifs d'une simulation Sphinx d'un volume 64 fois plus grand. Ces simulations montrent que quand le feedback des rayons cosmiques régule suffisamment la formation stellaire à haut-redshift, il retarde fortement et de manière non réaliste la réionisation du milieu inter-galactique, en supprimant les fractions d’échappement du rayonnement ionisant. De plus, les vents denses portés par la pression des rayons cosmiques dans le milieu circum-galactique absorbent de nouveau le rayonnement ionisant dans les halos les plus massifs, dont la contribution au budget total de photons ionisants est réduite. Les détails du feedback des rayons cosmiques pourraient donc jouer un rôle important dans l'Epoque de Réionisation. A leur tour, les contraintes observationnelles sur la réionisation combinées aux simulations numériques pourraient être utilisées comme contrainte additionnelle sur les modèles de feedback des rayons cosmiques.

To understand how our present-day Universe came into being, we have to look back to a few hundred thousand years after the Big Bang, during the Epoch of Reionisation. This epoch, which marks the last major transition of our Universe from neutral to ionised, involves the formation of the first stars and galaxies and the radiation from those galaxies ionising the intergalactic medium. To decipher the highly complex interactions of the processes at play in galaxy evolution, numerical simulations are our best tool. Thanks to numerical simulations, it is now established that feedback - physical processes in galaxies that regulate their growth - is an important ingredient of the galactic ecosystem. In particular, feedback provided by the explosions of the most massive stars as supernovae is thought to regulate star formation and the escape of ionising photons, but many works also suggest that supernova feedback is not sufficient alone. In this thesis, I investigate the effects of cosmic ray feedback, cosmic rays being charged particles accelerated to relativistic speed at shock fronts, e.g. in the remnants of supernova explosions. While diffusing from dense to diffuse media along magnetic field lines, cosmic rays exert a significant pressure on the interstellar medium, potentially impacting the escape of ionising photons, and hence the reionisation of the Universe. In order to determine if cosmic rays play a role during and in the reionisation of the Universe, I performed and studied the first radiation-magneto-hydrodynamical simulations of galaxies combining supernova, radiation and cosmic ray feedback. For this purpose, I used the Ramses code, which uses an adaptive refinement technique and includes state-of-the art star formation and feedback models. The first part of my work focuses on idealised simulations galaxies, that allow me to explore the effects of various physics on galaxies of different masses. My results show that cosmic ray feedback increasingly regulates star formation at decreasing galaxy mass, and leads to more and colder winds up to larger distances than those driven by supernova and radiation feedback. In the second part of my thesis, I rely on the Sphinx cosmological simulations, which are able to capture the reionisation of the Universe by resolving the escape of radiation through the interstellar medium of hundreds of galaxies. I performed a suite of Sphinx simulations in a volume of 5 cMpc in width that include cosmic rays and radiation-magneto-hydrodynamics, and re-simulated two massive halos from a Sphinx simulation 64 times larger in volume. These simulations show that when cosmic ray feedback sufficiently regulates star formation at high-redshift, it also strongly and unrealistically delays the reionisation of the inter-galactic medium, by suppressing ionising radiation escape fractions. In addition, the dense winds carried by cosmic ray pressure in the circum-galactic medium of the galaxies further absorb ionising radiation in the most massive halos, whose contribution to the total ionising photon budget is reduced. The details of cosmic ray feedback hence may play a large role in the Epoch of Reionisation. In turn, observational constraints of reionisation, combined with numerical simulations, may therefore be used as an additional constraint on models of cosmic ray feedback.