Implications cosmologiques et astrophysiques de la structure interne des halos de matière noire

par Thomas Richardson

Projet de thèse en Astronomie et Astrophysique

Sous la direction de Pier-Stefano Corasaniti.

Thèses en préparation à l'Université Paris sciences et lettres , dans le cadre de Astronomie et Astrophysique d'Ile de France , en partenariat avec Laboratoire Univers et THéories (laboratoire) et de Observatoire de Paris (établissement opérateur d'inscription) depuis le 01-10-2020 .


  • Résumé

    Les halos de matière noire sont les éléments constitutifs de la formation des structures cosmiques. Ces objets virialisés émergent de l'effondrement gravitationnel non-linéaire des fluctuations de densité de matière noire. C'est à l'intérieur de ces structures que le gaz baryonique tombe pour former les étoiles et les galaxies que nous observons aujourd'hui. La croissance des halos de matière noire à travers le temps cosmique se produit par la fusion de halos de masse plus petite formés à des époques antérieures. Des simulations à N-corps ont montré que ce processus aboutit à la propriété remarquable que les halos présentent un profil universel, dit profil Navarro-Frenk-White (NFW). La fonction NFW ne dépend que de la masse du halo et du paramètre de concentration, ce dernier fournissant une mesure du rapport du rayon viral au rayon d'échelle où la pente logarithmique de la densité suit le profil isotherme. Néanmoins, la concentration présente beaucoup de dispersion et comme elle est porteuse d'informations sur la partie intérieure du halo sa valeur peut être très sensible aux processus astrophysiques déplaçant la distribution des baryons et donc celle de la matière noire dans la région centrale du halo. De plus, la valeur de concentration peut également être affectée par la forme perturbée du profil dans la région externe. Alternativement, la distribution de masse dans les halos peut être caractérisée de manière non paramétrique en termes de rapport de la masse du halo entre deux rayons différents, ce que l'on appelle la 'sparsity' du halo. Comme le montrent Balmes et al. (2010), la rareté est porteuse d'informations cosmologiques et caractérise la distribution de masse du halo indépendamment de la forme du profil (NFW ou non). De plus, la sparsity permet de se concentrer sur la distribution de masse dans les régions dominées par la matière noire, ou inversement dominées par les processus baryoniques. Les propriétés de la sparsity du halo ont été principalement étudiées par le biais de simulations à N-corps, de plus son utilisation comme proxy cosmologique s'est jusqu'à présent limitée aux observations d'amas de galaxies (voir par exemple Corasaniti et al. 2017). L'objectif de cette thèse est double: développer un modèle théorique de la sparsity des halos et effectuer une étude détaillée de la relation entre la sparsity des halos qui contiennent des galaxies et les propriétés des galaxies hébergées. Au cours de la premiere phase du projet de thèse, le candidat formulera un modèle théorique de la sparsity du halo à partir d'une évaluation analytique du taux d'accrétion de masse du halo dans le cadre du formalisme de l'Excursion Set. Cela permettra de cartographier les propriétés de la sparsity du halo en termes de variables physiques caractérisant le champ de densité linéaire et les seuils non-linéaires d'effondrement gravitationnel. Au cours de la deuxième partie, le candidat étudiera la relation entre la sparsity des halos des galaxies simulées et les propriétés de leur contenu baryonique. À cette fin, le candidat effectuera une analyse des catalogues N-corps / hydrodynamique de domaine public, tels que les simulations Illustris, ainsi que des simulations numériques déjà réalisées par le groupe COS. Cette étude permettra d'étudier la relation entre les mécanismes gravitationnel qui façonne la distribution de masse dans les halos de matière noire et les propriétés de la matière baryonique (gaz et étoiles) des galaxies hôtes. Par exemple, à partir de la connaissance de la sparsity du halo, il devrait être possible de comparer le temps d'accrétion de matière noire d'un anneau autour du noyau du halo, à l'âge des composants stellaires dans cette région. Ainsi, permettant des nouvelles forme d'analyse chronographique des structures cosmiques.

  • Titre traduit

    Cosmological and astrophysical implications of the internal structure of dark matter halos


  • Résumé

    Dark matter halos are the building blocks of the cosmic structures formation. These virialized objects emerge from the non-linear gravitational collapse of dark matter density fluctuations. It is inside these structures that the baryonic gas falls in to form stars and galaxies we observe today. The growth of dark matter halos across the cosmic time proceeds through mergers of smaller mass halos formed at earlier times. N-body simulations have shown that this process results in the remarkable property that halos exhibit a universal profile, the so-called Navarro-Frenk-White (NFW) profile. This depends only on the halo mass and the concentration parameter, the latter providing a measure of the ratio of the viral radius to the scale radius where the logarithmic slope of the density follows that isothermal profile. Nevertheless, the concentration exhibit lots of scatter and as it carries information on the inner part of the halo can be very sensitive to astrophysical processes displacing the distribution of baryons and thus that of dark matter in the halo core region. Moreover, the concentration value can also be affected by the perturbed shape of the profile in the external region. Alternatively, the mass distribution in halos can be characterised in a non parametrically in terms of the ratio of the halo mass enclosed into different radii, the so-called halo sparsity. As shown in Balmes et al. (2010), the sparsity carries cosmological information and characterise the halo mass distribution independently of the shape of the profile (whether NFW or not). Furthermore, it allows to focus on the mass distribution in regions that are dark matter dominated, or conversely dominated by baryonic processes. The properties of the halo sparsity have been primarily investigated through N-body simulations, moreover its use as cosmological proxy has been so far limited to observations of galaxy clusters (see e.g. Corasaniti et al. 2017). The goal of this thesis is twofold: develop a theoretical model of the halo sparsity and perform a detailed study of the relation between the sparsity of halos hosting galaxies and the properties of hosted galaxies. During the first past of the thesis project, the candidate will formulate a theoretical model of the halo sparsity through an analytical evaluation of the halo mass accretion rate in the context of the excursion set formalism. This will allow to map the properties of the halo sparsity in terms of physical variables characterising the linear density field and the non-linear thresholds of gravitational collapse. During the second part, the candidate will study the relation between the halo sparsity of simulated galaxies and the properties of their baryonic content. To this purpose the candidate will perform analysis of publicly available N-body/hydrodynamics catalogs, such as Illustris simulations, as well as numerical simulations already realised by the COS group. This study will allow to investigate the relation between the gravitational mechanism that shape the distribution of mass in dark matter halos and the host galaxy properties. As an example, from knowledge of the halo sparsity it should be possible to compare the time of dark matter accretion of an annulus around the core of the halo, to the age of the stellar components in that region. Thus, opening a new window of chronographic analysis of cosmic structures.