Formation des bulbes et effondrement du gaz par fusion de galaxies et instabilité de disque

Bulge formation and gas infall through galaxy mergers and disc instabilities

• Auteur / Autrice : Nathan Meagher
• Direction : Andrea Cattaneo, Gary Mamon
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Astronomie et Astrophysique
• Date : Inscription en doctorat le 30/09/2023
• Etablissement(s) : Université Paris sciences et lettres en cotutelle avec Institut d'Astrophysique de Paris
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Astronomie et astrophysique d'Île-de-France (Meudon, Hauts-de-Seine ; 1992-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d’étude du rayonnement et de la matière en astrophysique et atmosphères (Paris ; 2002-2024)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Observatoire de Paris (1667-....)

Mots clés

Mots clés libres

Fusions

Galaxies

Instabilité de disque

Bulbes

Disc instabilities

Bulges

Mergers

Galaxies

Résumé

La classification morphologique de Hubble est aussi ancienne que la découverte des galaxies elle-même, mais acquiert une nouvelle pertinence maintenant que le télescope spatial James Webb (JWST) commence à dévoiler à quoi ressemblaient les galaxies lorsque l'Univers n'avait que 0,5 à 2,2 milliards d'années (Kartalpepe et al. 2023, Robertson et al. 2023). Une galaxie spirale peut être décrite comme la somme de deux composants : un disque plat et un bulbe central. La séquence de Hubble est une séquence de proéminence croissante du bulbe des galaxies irrégulières, qui n'ont pas de bulbe, aux galaxies elliptiques, où le bulbe est la galaxie entière. C'est aussi une séquence évolutive. Toutes les galaxies commencent comme des disques et évoluent le long de la séquence de Hubble à mesure qu'elles vieillissent. Des décennies de simulations numériques ont montré deux mécanismes de formation des bulbes : les instabilités de disque dans les galaxies isolées et les fusions de galaxies. Le problème est que les simulations à haute résolution utilisées pour étudier la dynamique des galaxies individuelles ou des paires manquent des statistiques nécessaires pour évaluer la fréquence des configurations simulées, tandis que les simulations d'un volume cosmique suffisamment grand pour être représentatif de l'Univers manquent généralement de la résolution requise pour suivre les processus dynamiques tels que les instabilités du disque. Ce n'est que récemment que des simulations telles que Illustris TNG50 (Pillepich et al. 2019) sont devenues disponibles, où le volume de calcul est suffisamment grand pour contenir une centaine d'analogues de la Voie lactée, mais aussi où la résolution est suffisamment bonne pour résoudre leur longueur d'échelle verticale. Nous proposons d'utiliser TNG50 pour étudier comment plusieurs indicateurs morphologiques, tels que le rapport B/T entre la masse du bulbe et la masse stellaire totale ou la densité surfacique moyenne Σ1 dans le kiloparsec central, évoluent avec la masse stellaire M* dans les galaxies qui ont connu des fusions récentes et les galaxies qui ne l'ont pas fait. Les bulbes formés par les fusions et les bulbes formés par instabilité de disque peuplent-ils différentes régions des diagrammes B/T vs. M* et Σ1 vs. M* ? Ces différences pourraient-elles être utilisées pour faire la distinction entre les bulbes formés par des fusions et les bulbes formés par des instabilités de disque dans des galaxies lointaines, où la qualité de l'image n'est pas assez bonne pour révéler les traits caractéristiques des restes de fusion ou des bulbes formés via des instabilités de disque ? Un sujet particulièrement controversé est dans quelles conditions un disque deviendrait instable et développerait un pseudo-bulbe. Si les disques sont instables lorsque leur auto-gravité est importante, alors B/T devrait augmenter avec le rapport entre la masse du disque et la masse dynamique totale à l'intérieur de celui ci (Efstathiou et al. 1982, Devergne et al. 2021). TNG50 confirme-t-il cette attente ? Lorsque des fusions sont détectées, qu'arrive-t-il aux étoiles dans les disques et les bulbes des galaxies fusionnantes ? Hopkins et al. (2009) et Kannan et al. (2015) ont tenté de répondre à cette question en fonction des paramètres de fusion. Dans ce projet de thèse, nous recherchons une réponse statistique prenant en compte les probabilités de différentes configurations de fusions. Ce que fait le gaz est tout aussi important, sinon plus. Les fusions ont un rôle bien établi dans l'acheminement du gaz vers la région centrale, alimentant les sursauts de formation stellaire et la croissance des trous noirs supermassifs (Barnes & Hernquist 1996, Hopkins et al. 2006). Qu'en est-il des instabilités de disque ? Peut-on établir une relation entre la croissance de B/T, la croissance de Σ1, et la masse de gaz qui afflue dans la région centrale ? Peret et al. (2014) et Fensch et al. (2017) ont suggéré que les fusions à décalage vers le rouge élevé ne font pas augmenter significativement le taux de formation d'étoiles parce que les galaxies à décalage vers le rouge élevé ont déjà des taux de formation d'étoiles élevés et l'efficacité de la formation d'étoiles a atteint une valeur de saturation. Cela pourrait-il également s'appliquer au taux auquel le gaz tombe dans la région centrale ? Ce ne sont que quelques questions. L'étudiant(e) qui se lancera dans ce projet passionnant ajoutera sans aucun doute les siennes à la liste. Le JWST ouvre une nouvelle ère passionnante où l'évolution morphologique des galaxies est pour la première fois sous nos yeux depuis les premiers 500 millions d'années après le Big Bang. Ce projet offre la perspective de rejoindre l'effort de compréhension. Le candidat ou la candidate retenu(e) aura une solide formation en physique aussi bien que d'excellentes compétences en programmation en python. Des connaissances en astrophysique seront très appréciées. Il en va de même pour la capacité d'écrire efficacement en anglais. Avant tout, on recherche un esprit curieux qui est prêt à proposer et à explorer de nouvelles idées.

Hubble's morphological classification is as old as the discovery of galaxies itself but acquires new relevance now that the James Webb Space Telescope (JWST) is beginning to unveil what galaxies looked like when the Universe was only 0.5 to 2.2 billion years old (Kartalpepe et al. 2023, Robertson et al. 2023). A spiral galaxy can be pictured as the sum of two components: a flat disc and a central bulge. The Hubble sequence is a sequence of increasing bulge prominence from bulgeless irregular galaxies to elliptical galaxies, where the bulge is the entire galaxy. It is also an evolutionary sequence. All galaxies start as discs and evolve along the Hubble sequence as they age. Decades of computer simulations have shown two mechanisms for the formation of bulges: disc instabilities in isolated galaxies and galaxy mergers. The problem is that the high-resolution simulations used to study the dynamics of individual galaxies or pairs lack the statistics required to assess how frequent the simulated configurations are, while simulations of a cosmic volume that is large enough to be representative of the Universe usually lack the resolution required to follow dynamical processes such as disc instabilities. Only recently have simulations such as Illustris TNG50 (Pillepich et al. 2019) become available, where the computational volume is large enough to contain a hundred Milky-Way analogues but also where the resolution is good enough to resolve their vertical scale-length. We propose to use TNG50 to study how several morphological indicators, such as the stellar bulge-to-total mass ratio B/T or the mean stellar surface density Σ1 in the central kiloparsec, evolve with the stellar mass M* in galaxies that have experienced recent mergers and galaxies that have not. Do bulges formed by mergers and bulges formed by disc instabilities populate different regions of the B/T vs. M* and Σ1 vs. M* diagrams? Could these differences be used to discriminate between bulges formed by mergers and bulges formed by disc instabilities in distant galaxies, where the image quality is not good enough to reveal the characteristic features of merger remnants or bulges formed via disc instabilities? A particularly controversial topic is under what conditions a disc would become unstable and develop a pseudobulge. If discs are unstable when their self-gravity is important, then B/T should increase with the ratio of the disc mass to the total dynamical mass within the disc's radius. Does TNG50 confirms this expectation? When mergers are detected, what happened to the stars in the discs and bulges of the merging galaxies? Hopkins et al. (2009) and Kannan et al. (2015) have attempted to answer this question as a function of the merging parameters. In this PhD project, we are after a statistical answer that factors in the probabilities of different mergers configurations. Equally if not more important is what the gas does. Mergers have a well established role in funnelling gas into the central region, fuelling starbursts and feeding the growth of supermassive black holes (Barnes & Hernquist 1996, Hopkins et al. 2006). What about disc instabilities? Can one establish a relation between the growth of B/T, the growth of Σ1, and the mass of gas that flows into the central region? Perret et al. (2014) and Fensch et al. (2017) have suggested that high-redshift mergers do not enhance star formation significantly because high-redshift galaxies have already high star formation rates and the star formation efficiency has attained a saturation value. Could that also apply to the rate at which gas falls into the central region? These are just a few questions. The student who will embark in this fascinating project will no doubt add his or her own to the list. The JWST opens a new exciting era where the morphological evolution of galaxies is for the first time before our eyes since the first 500 million years after the Big Bang. This project offers the prospect of joining the effort to understand it. The successful candidate will have a strong physics background and will have excellent programming skills in python. Astrophysical knowledge is highly appreciated. So is the ability to write in English effectively. Above all, one looks for an inquisitive mind that is willing to propose and explore new idea.