Dynamique des trous noirs en milieu gazeux

par Sandrine Lescaudron

Thèse de doctorat en Astrophysique

Sous la direction de Marta Volonteri et de Yohan Dubois.

Le président du jury était Marie-Christine Angonin.

Le jury était composé de Astrid Lamberts-Marcade, Frédéric Bournaud.

Les rapporteurs étaient Benoit Famaey, Eric Emsellem.


  • Résumé

    Les trous noirs sont omniprésents dans l'Univers et on observe des trous noirs supermassifs au cœur de la plupart des galaxies. Les corrélations observées entre ces trous noirs supermassifs et leur galaxies hôtes laissent penser à une histoire commune. Les trous noirs sont aujourd'hui envisagés comme des pièces maîtresses de l'évolution des galaxies, participant à la régulation du gaz et des étoiles. Un trou noir accrète de la matière et libère une part d'énergie gravitationnelle qui agit en retour sur son environnement, fournissant une rétroaction. Le moment angulaire ou spin des trous noirs a une influence directe sur la fraction d'énergie libérée et rayonnée pendant les périodes d'accrétion. La croissance des trous noirs repose sur une évolution séculaire entrecoupée d'épisodes de fusion de galaxies. Leur spin évolue lors des phases d'accrétion de gaz et lors des coalescences de trous noirs. Par ailleurs les fusions de galaxies peuvent jouer un rôle important en favorisant des pics d'accrétion de gaz et l'éventuelle coalescence des trous noirs. Dans ce contexte, j'ai réalisé des simulations idéalisées de fusion de galaxies incluant l'évolution de la masse et du spin des trous noirs supermassifs afin de déterminer d'éventuelles tendances d'évolution en fonction de la configuration orbitale de la rencontre. La coalescence des trous noirs dépend leur capacité à perdre du moment angulaire pour rejoindre le centre de la galaxie résultante d'une fusion. A l'échelle des kpc qui séparent initialement les trous noirs, le principal moteur de leur décroissance orbitale est la friction dynamique. Le rôle de la friction dynamique exercée en particulier par le gaz est encore mal connu. Les simulations de fusion de galaxies ne résolvent pas l'échelle de ce phénomène et sa prise en compte repose sur des modèles développés pour un milieu gazeux homogène. J'ai étudié la friction dynamique dans un milieu gazeux turbulent à l'aide de simulations hydrodynamiques haute résolution avec un forçage turbulent.

  • Titre traduit

    Black holes dynamics in a gazeous medium


  • Résumé

    Black holes are ubiquitous in the Universe and supermassive black holes are observed at the centre of most galaxies. The correlations observed between these supermassive black holes and their host galaxies suggest a common history. Black holes are now seen as key components in the evolution of galaxies, helping to regulate gas and stars. A black hole accretes matter and releases gravitational energy that acts in return on its environment, providing feedback. The angular momentum or spin of black holes has a direct influence on the fraction of energy released and radiated during accretion phases.The growth of black holes is based on a secular evolution interspersed with galaxy mergers. Their spin evolves during gas accretion phases and during black hole coalescences. Moreover, galaxy mergers can play an important role in promoting gas accretion peaks and the eventual coalescence of black holes. In this context, I have performed idealized simulations of galaxy mergers including the evolution of supermassive black holes mass and spin in order to determine possible evolutionary trends depending on the orbital configuration of the encounter.The coalescence of black holes depends on their ability to lose angular momentum to reach the centre of the merging galaxy. On the scale of the kpc that initially separate the black holes, the main driver of their orbital decay is dynamical friction. The role of dynamical friction exerted in particular by the gas is still poorly understood. Simulations of galaxy mergers do not resolve the scale of this phenomenon and its inclusion relies on models developed for a homogeneous gaseous medium. I have studied dynamical friction in a turbulent gaseous medium using high-resolution hydrodynamic simulations with turbulent forcing.


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