Simulations du milieu circum-galactique - étude comparative de modèles sous-grille pour la formation d'étoiles et leur rétroaction

Simulations of the circum-galactic medium - a comparative study of subgrid models for star formation and their feedback

• Auteur / Autrice : Maxime Rey
• Direction : Jérémy Blaizot
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 18/10/2022
• Etablissement(s) : Lyon, École normale supérieure
• 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 : Bruno Guiderdoni
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jérémy Blaizot, Bruno Guiderdoni, Julien Devriendt, Céline Péroux, Frédéric Bournaud, Clotilde Laigle
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Julien Devriendt, Céline Péroux

Mots clés

Mots clés contrôlés

Galaxies -- Milieux circumgalactiques

Simulation par ordinateur

Astrophysique

Cosmologie

Mots clés libres

Cosmologie

Astrophysique

Simulations numériques

Galaxies -- Milieux circumgalactiques

Cosmology

Astrophysics

Numerical simulations

Galaxies -- Circumgalactic medium

Résumé

Durant les dernières décennies, nos connaissances sur les processus de formation des galaxies ont considérablement avancé, les simulations numériques étant capables de produire des galaxies en accord avec les propriétés observationnelles. Dans notre compréhension actuelle de l'évolution des galaxies, des processus de rétroaction entravent la formation d’étoiles et régulent la croissance des galaxies. Pour les galaxies de faible masse, l’origine attendue de cette rétroaction réside principalement dans les supernovæ, les vents stellaires, la pression de radiation et la photoionisation. Ces phénomènes peuvent chauffer le gaz, perturber les nuages moléculaires et éjecter du gaz hors de la galaxie. Néanmoins, le fonctionnement interne de tels processus n’est pas entièrement compris, et une nouvelle génération de simulation à très haute résolution vise à répondre à cette problématique. De telles simulations reposent sur des modèles sous-grilles décrivant les phénomènes non résolus à l’échelle des simulations. Cependant, des modèles distincts, suivant une physique distincte peuvent produire des galaxies similaires. Une observable complémentaire aux propriétés galactiques est alors nécessaire pour lever cette dégénérescence, et un endroit propice pour ce faire est le milieu entourant la galaxie, le milieu circum-galactique (CGM). Le CGM est un milieu complexe à modéliser et extrêmement sensible aux phénomènes de rétroaction stellaires. En effet, il abrite les influx cosmiques qui alimentent la galaxie en gaz, mais également les flux sortants qui éjectent ce même gaz, en faisant un milieu régulé par une dynamique complexe et un contenu thermique multiphase. L'objectif de ma thèse est de comparer différents modèles sous-grilles acceptés face à une telle contrainte. Dans cette optique, j’effectue des simulations cosmologiques zoom-in d’une même galaxie calibrée en masse stellaire avec différents modèles sous-grilles. Je post-traite ensuite ces simulations afin d’obtenir l’état d’ionisation du CGM et simuler l’observation de celui-ci par le biais de densités de colonnes. Je montre que malgré une masse stellaire similaire formée avec chaque modèle, le contenu du CGM des galaxies simulées révèle des différences notables, concernant aussi bien la masse de gaz que sa nature. Cette diversité se retrouve dans les densités de colonnes simulées, mais certains modèles présentent encore des dégénérescences. Le désaccord principal se trouve entre les densités de colonnes simulées et observées. Deux phénomènes sont à l'origine de cette tension. Le premier est que les modèles n’éjectent pas assez de gaz enrichi dans le CGM. Le second est que les fractions d’ionisation simulées sont potentiellement incorrectes, probablement dû à une modélisation inexacte de l’état thermique du CGM.

Over the last decades, our knowledge of galaxy formation has significantly advanced, with numerical simulations producing galaxies matching observational properties. In our current understanding of galaxy evolution, feedback processes hinder star formation and regulate the growth of galaxies. For low-mass galaxies, the expected origin of feedback lies mainly in supernovae, stellar winds, radiation pressure and photoionisation. These phenomena can heat the gas, disrupt molecular clouds and eject gas out of the galaxy. However, the inner workings of such processes are not entirely understood, and a new generation of simulations with increasing resolutions aims to tackle this challenge. These simulations rely on subgrid models describing unresolved phenomena at the resolution scale. However, distinct models following different physics can produce similar galaxies. A new observable beyond galactic properties is needed to lift this degeneracy, and a suitable place to do so is the medium closely surrounding the galaxy, the circum-galactic medium. This medium is difficult to model and highly sensitive to feedback processes. Indeed, the CGM hosts cosmic inflows fuelling the galaxy and outflows starving it, making it a medium driven by complex dynamics and an intricate multiphase thermal content. I aim to test different accepted subgrid models against such a constraint. To this aim, I run zoom-in cosmological simulations of the same galaxy relying on distinct subgrid models, which I calibrate in stellar mass. I then post-process the simulations to obtain the ionisation state of the CGM and make mock observations of this medium through column densities. I find that despite having formed a similar stellar mass with each model, the content of their CGM exhibits notable differences, as well in the amount of gas as in the nature of this gas. This diversity translates in the simulated column densities, but some models are still degenerate, and the main discrepancy I find is between the simulated and the observed column densities. Two factors cause this discrepancy. The first is that simulations are not ejecting enough enriched gas in the CGM. The second is that the simulated ionisation fractions are likely incorrect, potentially due to inaccurate modelling of the thermal state of the CGM.