Simulations cosmologiques, de la structure à grande échelle à la fusion de trous noirs massifs

Cosmological simulations from the large-scale structure to the merger of massive black holes

• 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
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Michael Tremmel, Laura Blecha
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Tamara Bogdanovic, Thorsten Naab

Mots clés

Mots clés contrôlés

Cosmologie

Galaxies

Trous noirs (astronomie)

Mots clés libres

Trous noirs

Galaxies

Simulation

Cosmologie

Galaxies

Black holes

Simulation

Cosmology

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.

Massive black holes (MBHs) inhabit the centre of most massive galaxies. Following the merger of two galaxies, the two central MBHs may sink to the centre of the new potential, form a binary, and eventually merge. Detecting the gravitational waves (GWs) and electromagnetic (EM) waves from MBH mergers can provide valuable information about the population of merging MBHs, their astrophysical environments, and more generally about the cosmic evolution of MBHs and their host galaxies. The future Laser Interferometer Space Antenna (LISA) will be targeted at detecting the GWs from MBH mergers. Before LISA flies, it is important to understand how GW and EM measurements can inform us about the physics of MBH evolution and mergers and what population of MBH mergers LISA and the future EM telescopes could detect. In this thesis, I aim to understand the properties of the population of merging MBHs and the prospects of their detection with the next generation of instruments. Using the high-redshift MBH population in a high-resolution cosmological hydrodynamical simulation, I found that merging MBHs tend be in more massive galaxies (which have a higher probability of hosting MBHs and shorter MBH dynamical evolution) than global population of MBHs. LISA can detect most of the mergers in the sample with up to high redshifts. While in the rest-frame ultraviolet (observer-frame optical/near-infrared) the light from the host tends to outshine the remnant MBH, the remnants are in some cases bright in the X-ray and radio frequencies to outshine their host and be detected. A joint detection of GW and EM emission is possible. However, for our high-redshift sample, GWs do not provide tight constraints on the sky position of the source that could aid the search for an EM counterpart. The population of EM-detected mergers is biased toward high MBH and host masses, high accretion rates and low redshifts compared to the overall population of MBH mergers. The burst of GWs produced by the merger of two MBHs can carry linear momentum if there are any asymmetries in the configuration of the system (different masses or misaligned spin and orbital angular momenta). The remnant MBH experiences a GW recoil kick whose magnitude can be larger than the escape velocity of the galaxy: it can have a profound impact on the evolution of MBHs. I investigate GW recoil in a cosmic environment by running cosmological simulations that model GW recoil kicks, calculated according to the spins, masses and angular momentum of the binary obtained on the fly. I confirmed that recoil can hinder the growth of MBHs and decrease the MBH merger rate. Even in massive gas-rich galaxies, the alignment of the spins and the MBH orbital angular momentum is not perfect in a realistic setting. This means that major MBH mergers can produce large kicks (~1000 km/s) in a wide variety of astrophysical scenarios. Recoil kicks can eject the MBH from the centre of the galaxy or the host halo. Recoiling MBHs tend to either stay in the centre of their host or get ejected on a short time scale. Only MBHs that get kicks close to the escape velocity take longer times to escape or return to the centre. Recoiling MBHs are a non-negligible fraction of the population of wandering MBHs. Even if some recoiling MBH retain their initial radial orbits, in some cases the asymmetric and clumpy potentials of realistic high-redshift haloes partly erase their initial dynamical properties: recoiling MBHs cannot always be discriminated from other wandering MBHs uniquely from their dynamics. During this thesis, I also used a large cosmological N-body simulation to produce a set of mock galaxy catalogues for cosmology. These catalogues were validated and used to obtain cosmological constraints from the Sloan Digital Sky Survey. I demonstrated that our method can produce high-fidelity mock galaxy catalogues for the analysis of very large surveys such as the ongoing Dark Energy Spectroscopic Instrument survey.