Baryons dans les amas de galaxies : effets astrophysiques et contraintes cosmologiques

Baryons in galaxy clusters : astrophysical effects and cosmological constraints

• Auteur / Autrice : Raphaël Wicker
• Direction : Marian Douspis, Nabila Aghanim, Laura Salvati
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Astronomie et Astrophysique
• Date : Soutenance le 02/10/2023
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Astronomie et astrophysique d'Île-de-France (Meudon, Hauts-de-Seine ; 1992-....)
• Partenaire(s) de recherche : Référent : Faculté des sciences d'Orsay
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Physique (2020-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut d'astrophysique spatiale (Orsay, Essonne ; 1990-....)
• Jury : Président / Présidente : Karine Bocchialini
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Stefano Ettori, Veronica Strazzullo, Jochen Weller, Dominique Eckert
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Stefano Ettori, Veronica Strazzullo

Mots clés

Mots clés contrôlés

Structure à grande échelle (astronomie)

Galaxies -- Amas

Cosmologie

Mots clés libres

Cosmologie

Evolution des grandes structures

Amas de galaxies

Baryons

Fraction de gaz

Galaxies

Cosmology

Large scale structure

Galaxy clusters

Baryons

Gas fraction

Galaxies

Résumé

Les amas de galaxies sont les objets gravitationnellement liés les plus massifs de l'univers, et l'histoire de leur formation est une conséquence directe de l'évolution des structures dans l'univers. Ainsi, leur étude permet de poser des contraintes cosmologiques. L'utilisation des amas en tant que sondes cosmologiques repose sur l'observation de leur contenu en matière, en particulier ordinaire, ou baryons. Ces derniers sont présents sous forme d'étoiles contenues dans les galaxies, et de gaz au sein du milieu intra-amas. Toutefois, les baryons dans les amas de galaxies sont sujets à des effets astrophysiques qui affecteront leurs propriétés. Ces effets doivent être étudiés en détail afin d'obtenir une bonne compréhension des amas et contraindre correctement les conditions ayant dicté leur formation, jusqu'à leurs propriétés actuelles.Je propose ainsi dans cette thèse une étude approfondie des baryons et de leurs effets dans les amas, des galaxies au gaz, à partir d'observations en millimétrique, optique, et rayons X.Une première partie de mon étude se concentre sur les galaxies et l'analyse de leurs propriétés à partir de données de spectroscopie optique, dans deux systèmes triples d'amas découverts par le satellite Planck. Je montre que ces deux systèmes n'apparaissent triples que suite à des effets de projection sur la ligne de visée, et sont en réalité constitués de plusieurs amas isolés se trouvant à plusieurs centaines de megaparsecs les uns des autres, exceptée une paire d'amas.De plus je montre que dans l'amas le plus distant, certaines galaxies forment encore des étoiles, contrairement aux galaxies dans les amas à plus bas redshift. Il est possible que cela marque la transition entre un régime d'intense formation stellaire dans les amas à haut redshift, et le régime de faible formation stellaire observé dans les amas à bas redshift.La suite de mon étude est dédiée à la fraction de gaz au sein des amas, en particulier afin de contraindre le biais découlant de l'hypothèse d'équilibre hydrostatique lors de la mesure de leur masse. Mal contraint, ce ''biais hydrostatique'', est responsable de contraintes cosmologiques biaisées à partir des amas. En utilisant des masses de gaz et des masses totales mesurées en rayons X sous l'hypothèse de l'équilibre hydrostatique, j'ai calculé la fraction de gaz de 120 amas, et ai étudié la valeur du biais hydrostatique et son évolution avec la masse et le redshift. Je montre que l'évolution du biais est dégénérée avec les paramètres cosmologiques, menant à des contraintes cosmologiques aberrantes en cas de mauvaise prise en compte de l'évolution du biais. Cependant, je montre que mes résultats dépendent de l'échantillon choisi, avec une évolution du biais différente suivant la sélection en masse et en redshift. Je montre toutefois que quelque soit la sélection de l'échantillon, mes résultats sont en accord avec un ensemble de mesures directes par d'autres méthodes, ainsi qu'avec les prédictions de simulations hydrodynamiques. Ces résultats sont néanmoins en désaccord avec la valeur de biais favorisée par des observations du fond diffus cosmologique combinées à des comptages d'amas.Enfin, j'ai combiné des données de fraction de gaz d'amas de galaxies avec des comptages réalisés à partir d'observations en ondes millimétriques. Cela m'a permis d'étudier les contraintes cosmologiques rendues possibles par cette combinaison, ainsi que les contraintes sur le biais hydrostatique. Je montre que l'ajout de données de fraction de gaz aux comptages d'amas permet de briser des dégénérescences existantes entre le biais hydrostatique et certains paramètres cosmologiques, sans a priori sur le biais.Mon travail a donc permis d'améliorer notre compréhension d'ensemble des propriétés astrophysiques des baryons dans les amas. J'ai notamment mis en évidence certains des liens entre effets astrophysiques et contraintes cosmologiques par les amas, permettant leur description fidèle et robuste.

Galaxy clusters are the most massive gravitationally bound structures of the universe, and the history of their formation is a direct consequence of the evolution of the large scale structure of the universe. As a result, studying these objects allows to constrain cosmological parameters, which are at the core of the models describing the evolution of our universe. The use of galaxy clusters as cosmological probes relies on the observation of their matter content, and in particular their content in ordinary matter, or ''baryons''. Baryonic matter is mainly present under the form of stars in galaxies and of gas inside the intra-cluster medium. However, baryons in galaxy clusters are subject to astrophysical effects which will impact their properties. These effects need to be analysed in detail in order to obtain an in depth understanding of these objects and to properly constrain the conditions that dictated their formation, their assembly, and their current properties.I propose in this thesis a thorough analysis of baryons and of their effects in clusters, from galaxies to the gas, using observations in optical, X-ray, and millimeter wavelengths. A first part of my study is focused on galaxies and the analysis of their properties from optical spectroscopy, inside two triple-cluster systems discovered by the Planck satellite. I show that these two systems appear as triple only due to projection effects on the line of sight, and that they are actually constituted of isolated clusters lying at several hundreds of megaparsecs from each other, except for a cluster pair. I show in addition that inside the most distant cluster, several galaxies are still star-forming, contrary to the galaxies in lower redshift systems. This may be the sign of a transition between a regime of high star formation in high redshift systems and the low star formation regime which is observed in low redshift clusters.The remainder of my work is dedicated to the gas fraction in galaxy clusters, in particular to constrain the bias which appears following the assumption of hydrostatic equilibrium when measuring cluster masses. This ''hydrostatic bias'', if poorly understood, is responsible for biased cosmological constraints from galaxy clusters. By using gas masses and total masses computed under the assumption of hydrostatic equilibrium in X-ray observations, I computed the gas fraction of 120 galaxy clusters, and constrained the value of the hydrostatic bias, as well as its evolution with mass and redshift. I show that the evolution of the bias is degenerate with cosmological parameters, leading to aberrant cosmological constraints when assuming the wrong evolution for the bias. I however show that these results are dependent on the considered sample, with trends of the bias changing depending on the mass and redshift selection of the sample. In any case, whatever the sample selection I find that my results are in agreement with a collection of other measurements of the bias using other methods, as well as with predictions from hydrodynamical simulations. These results are nevertheless in tension with the value of the bias preferred by the combination of cosmic microwave background observations with galaxy cluster number counts.Finally I combined gas fraction data of clusters with cluster number counts from millimeter wavelengths observations. This allowed me to study the constraints on cosmological parameters that this combination allowed, as well as the constraints on the hydrostatic bias. I show that adding gas fraction to cluster counts allows to break degeneracies that exist between the hydrostatic bias and cosmological parameters, without any prior on the bias.My work thus allowed to improve the understanding of the astrophysical properties of baryons in galaxy clusters. I notably highlighted some of the links and correlations between astrophysical effects and cluster cosmology, allowing for an accurate and robust description of these objects.