Simulations cosmologiques, de la structure à grande échelle à la fusion de trous noirs massifs
Auteur / Autrice : | Chi An Dong Páez |
Direction : | Marta Volonteri, Yohan Dubois |
Type : | Thèse de doctorat |
Discipline(s) : | Astronomie et Astrophysique |
Date : | Soutenance le 25/09/2024 |
Etablissement(s) : | Sorbonne université |
Ecole(s) doctorale(s) : | École doctorale Astronomie et astrophysique d'Île-de-France (Paris ; 1992-....) |
Partenaire(s) de recherche : | Laboratoire : Institut d'astrophysique de Paris (1936-....) |
Jury : | Président / Présidente : Benoît Semelin |
Examinateurs / Examinatrices : Michael Tremmel, Laura Blecha | |
Rapporteurs / Rapporteuses : Tamara Bogdanovic, Thorsten Naab |
Mots clés
Mots clés contrôlés
Mots clés libres
Résumé
Des trous noirs massifs se trouvent au centre de la plupart des galaxies massives. À la suite de la fusion de deux galaxies, les deux trous noirs centraux peuvent migrer vers le centre du nouveau potentiel, former une paire binaire, et finalement fusionner. La détection des ondes gravitationnelles et électromagnétiques des fusions de trous noirs peut fournir des informations précieuses sur la population des trous noirs qui fusionnent, sur leur environnement astrophysique et l'évolution cosmique des trous noirs. La future Laser Interferometer Space Antenna (LISA) aura pour mission de détecter les ondes gravitationnelles émises lors des fusions de trous noirs. Il est important de comprendre comment les mesures des ondes gravitationnelles et des ondes électromagnétiques peuvent nous informer sur la physique de l'évolution et des fusions des trous noirs et quelle population de fusions de trous noirs LISA et les futurs télescopes électromagnétiques pourraient détecter. Dans cette thèse, je cherche à comprendre les propriétés de la population des trous noirs qui fusionnent et les perspectives de leur détection avec la prochaine génération d'instruments. En utilisant la population de trous noirs à haut redshift dans une simulation hydrodynamique cosmologique à haute résolution, j'ai trouvé que la population de trous noirs qui fusionnent a tendance à résider dans des galaxies plus massives par rapport à la population globale de trous noirs. LISA sera probablement capable de détecter la plupart des fusions simulées de trous noirs. Alors que dans le domaine optique/proche infrarouge, la lumière de l'hôte tend à éclipser le trou noir résiduel, ces derniers sont parfois suffisamment brillants dans les rayons X et les radiofréquences pour éclipser leur hôte et être détectés. Cela signifie qu'une détection conjointe des ondes gravitationnelles et des émissions électromagnétiques est possible. La population de fusions de trous noirs détectées par électromagnétisme est biaisée en faveur de masses élevées de trous noirs et d'hôtes, de taux d'accrétion élevés et des redshifts basses par rapport à la population globale de fusions de trous noirs. La salve d'ondes gravitationnelles produite émises lors de la fusion de trous noirs peut provoquer le recul du trou noir résiduel. Cela peut avoir un effet important sur son évolution future. J'étudie le recul dans un environnement cosmique en produisant des simulations cosmologiques qui incluent un modèle de recul. L'ampleur du recul est calculée en fonction des spins, des masses et des moments angulaires des binaires obtenus à la volée. J'ai confirmé que le recul peut diminuer la croissance des trous noirs et le taux de fusion des trous noirs. J'ai également trouvé que même dans les galaxies massives riches en gaz, l'alignement des spins et du moment angulaire orbital des trous noirs n'est pas parfait dans un cadre réaliste: les fusions de trous noirs peuvent produire de grands vitesses (~1000 km/s$) dans une grande variété de scénarios astrophysiques. J'ai constaté que les trous noirs qui reculent ont tendance à rester au centre de leur hôte ou à être éjectés sur une courte échelle de temps. Les trous noirs à recul constituent une fraction non négligeable de la population des trous noirs errants. Les potentiels asymétriques et grumeleux des halos réalistes à haut redshift peuvent effacer en partie les orbites radiales initiales des trous noirs en recul. Au cours de cette thèse, j'ai également utilisé une grande simulation cosmologique à N-corps pour produire un ensemble de catalogues de galaxies fictives pour la cosmologie. Ces catalogues ont été validés et utilisés pour obtenir des contraintes cosmologiques à partir du Sloan Digital Sky Survey. J'ai démontré que notre méthode peut produire des catalogues de galaxies de haute fidélité pour l'analyse de très grands relevés tels que le relevé en cours de l'instrument spectroscopique de le Dark Energy Spectroscopic Instrument.