Exploration des modèles de gravitation et de matière noire dans l’Univers Local et la Voie Lactée

Exploring gravitation and dark matter theories in the Local Universe and the Milky Way

• Auteur / Autrice : Pierre-Antoine Oria
• Direction : Rodrigo Ibata, Benoit Famaey
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Astrophysique
• Date : Soutenance le 22/09/2022
• Etablissement(s) : Strasbourg
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique et chimie-physique (Strasbourg ; 1994-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Observatoire astronomique de Strasbourg
• Jury : Président / Présidente : Hongsheng Zhao
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Paola Di Matteo, Pierre Ocvirk
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Françoise Combes

Mots clés

Mots clés contrôlés

Galaxies -- Amas

Matière noire (astronomie)

Gravité modifiée

Mots clés libres

Astrophysique

Dynamique galactique

Matière noire

Gravitation

Courants stellaires

Astrophysics

Galactic dynamics

Dark matter

Gravitation

Stellar streams

Résumé

Alors que les expériences de détection de particules de matière noire froide demeurent inconcluantes et que des relations de régularité très fortes sont observées à l’échelle des galaxies - suggérant un rôle important pour la matière baryonique voire un couplage avec la masse manquante - il est crucial de s’intéresser à des modifications du modèle LCDM ou à des alternatives. Notre galaxie la Voie Lactée et son environnement l’Univers Local offrent un laboratoire idéal pour ce type d’étude, avec des données d’observation de qualité notamment pour les structures du halo stellaire. Le travail mené pendant cette thèse a d’abord porté sur la modification de gravité MOND et en particulier sur l’effet de champ externe et des tests du principe d’équivalence fort. Nous avons quantifié l’effet de champ externe des grandes structures distantes sur la Voie Lactée et les galaxies de l’univers local. Puis, nous avons proposé une nouvelle formule analytique pour obtenir l’accélération MOND sous un champ externe constant, et établi que des galaxies naines de l’amas de Coma semblaient ne pas subir l’effet de champ externe, exhibant un nouveau problème potentiel pour MOND dans l’environnement des amas de galaxies. Enfin, nous nous sommes penchés sur divers phénomènes posant problème au modèle LCDM. D’abord, nous avons établi que la chute du Grand Nuage de Magellan dans la Voie Lactée n’était pas une cause suffisante pour mener à la création du plan de satellites observé. Puis, nous avons proposé un modèle pour la bifurcation présente dans le courant stellaire du Sagittaire, basé sur un disque peu massif qui termine sa course dans la branche peu lumineuse du courant. Ce mystère observé il y a plus de quinze ans pourrait maintenant être proche d’être élucidé.

As cold dark matter particles remain elusive in detection experiments, and while extraordinary regularity is observed at the scale of galaxies - suggesting an important role for baryons and perhaps a coupling with the missing mass - it is of utmost importance to consider modifications to the LCDM model and alternatives. Our galaxy and the local universe constitute an ideal laboratory, with exquisite observational data for stellar halo structures in particular. The work done in this thesis focused first on the MOND modification of gravity and on the external field effect and departure from the strong equivalence principle in particular. We quantified the external field from distant large structures on the Milky Way and the Local Universe. We then proposed a new formula for the MOND acceleration under a constant external field, and showed that some dwarf galaxies in the Coma cluster seemed to not suffer the external field effect, highlighting a potential new problem for MOND in the galaxy cluster environment. Finally, we investigated various issues with the LCDM model. We showed that the infall of the Large Magellanic Cloud can not be a sufficient cause for the formation of the observed plane of satellites. Then we proposed a model for the bifurcation in the Sagittarius stellar stream, based on a low mass disk component which ends up populating the faint branch. This mystery first observed more than fifteen years ago could now be close to being solved.