Formation précoce des disques et début de la formation universelle des étoiles, une sonde de l'influence des baryons sombres

Early disk formation and the onset of universal star-formation, a probe of the influence of dark baryons

• Auteur / Autrice : Jean-Baptiste Billand
• Direction : David Elbaz
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Astronomie et Astrophysique
• Date : Inscription en doctorat le 30/09/2024
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : Astronomie et Astrophysique d'Ile de France
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Astrophysique Instrumentation Modélisation
• Partenaire(s) de recherche : Référent : Faculté des sciences d'Orsay

Mots clés

Mots clés libres

Morphologie des galaxies

Effets d'environnement

Formation des galaxies

Formation d'étoiles

Galaxy morphology

Star formation

Environment effets

Galaxy formation

Résumé

Le télescope spatial James Webb a révélé la présence de galaxies spirales très tôt dans l'histoire de l'univers (jusqu'à des décalages spectraux supérieurs à z=5). L'apparition des disques si tôt est surprenante car il s'agit de structures fragiles et semble renforcer l'idée d'un apport de moment angulaire par l'accrétion de matière intergalactique. Ce phénomène d'accrétion à travers des filaments refroidis pourrait expliquer plusieurs résultats inattendus du James Webb. Il pourrait aussi être à l'origine de la formation d'étoile universelle, dite séculaire, observée dans les galaxies sous la forme d'une corrélation entre taux de formation d'étoiles et masse stellaire (séquence principale de la formation d'étoiles, MS). Ils apporteraient les réservoirs et participeraient à la régulation de la formation d'étoiles. Il s'agit d'un important changement de paradigme dans notre compréhension de l'origine des formes des galaxies et de leur histoire de formation d'étoiles. Au cours de cette thèse, nous disposerons de données du James Webb, d'Euclid et de modèles numériques permettant de tester cette hypothèse. Notons que sans ce type d'explication pour la grande efficacité de formation des galaxies observée par le James Webb, il faudrait invoquer des changements bien plus drastiques qui pourraient ouvrir un nouveau champ. Cette thèse aidera à le déterminer. La plupart des étoiles actuelles se sont formées selon un 'mode séculaire' par opposition à une série de flambées d'étoiles (qui contribuent à une fraction mineure). Une origine physique possible de ce mode universel de formation des étoiles est la présence de disques dans les galaxies (voir, par exemple, Wuyts et al. 2011). Le moment angulaire peut être la cause dominante de la turbulence qui régule la formation d'étoiles, comme le montrent les travaux de nos collègues du CEA Brucy, Hennebelle, Bournaud (Brucy et al. 2023, 2020). Les observations du télescope spatial James Webb (JWST) ont montré que ce mode séculaire est apparu environ 800 millions d'années après le Big Bang (z~7, Ciesla, Elbaz et al. 2023, arXiv:2309.15720). L'un des résultats les plus troublants du JWST est la présence de disques déjà bien formés à cette même époque cosmique (Cheng et al. 2022, Guo et al. 2023, Ferreira et al. 2022, 2023). Cela renforce l'idée que les disques puissent être la principale source de régulation de la formation des étoiles. Mais alors, comment se sont-ils formés si tôt ? La plupart des atomes de l'univers (~90%) se trouvent à l'extérieur des galaxies sous une forme communément appelée 'baryons sombres', car ils sont essentiellement trop diffus pour être détectés. Les simulations numériques suggèrent que lorsqu'ils refroidissent, les baryons sombres forment des filaments colimatés qui alimentent les galaxies. Ces filaments froids pourraient constituer la meilleure explication de la formation précoce des disques par l'injection de moment angulaire lors de l'alimentation des galaxies. Cela permettrait également de résoudre une série de résultats inattendus du JWST, tels que la croissance rapide des galaxies avant z~7 et la taille très compacte de ces galaxies (Dekel et al. 2023). Pour aborder cette question, nous utiliserons les données du satellite Euclid, grâce à notre participation au consortium Euclid, afin d'étudier l'existence de liens entre la morphologie des galaxies, la couleur et l'âge des disques avec la position des galaxies dans les grandes structures (distance aux grands filaments). Il est, en effet, connu qu'il existe une orientation préférentielle des disques le long des grands filaments des grandes structures.

The James Webb Space Telescope has revealed the presence of spiral galaxies very early in the history of the universe (up to redshifts greater than z=5). The appearance of disks so early on is surprising, as they are fragile structures, and seems to reinforce the idea that angular momentum is contributed by the accretion of intergalactic matter. This phenomenon of accretion through cooled filaments could explain several unexpected results from the James Webb. It could also be at the origin of the universal star formation, known as secular star formation, observed in galaxies in the form of a correlation between star formation rate and stellar mass (main sequence of star formation, MS). They would provide the reservoirs for star formation and help regulate it. This represents a major paradigm shift in our understanding of the origin of galaxy shapes and their star formation history. During this thesis, we will address this question through the access to data from the James Webb, Euclid and numerical models to test this hypothesis. It should be noted that without this type of explanation for the high efficiency of galaxy formation observed by the James Webb, we would have to invoke much more drastic changes that could open up a new field. This thesis will help to determine this. The bulk of present-day stars formed in a “secular mode” by opposition to a series of starbursts (which contribute to a minor fraction). A possible physical origin of this universal mode of star-formation is the presence of disks in galaxies (see e.g. Wuyts et al. 2011). The angular momentum may be the dominant cause of the turbulence that regulates star formation as shown by the works of our CEA colleagues Brucy, Hennebelle, Bournaud (Brucy et al. 2023, 2020). Observations by the James Webb Space Telescope (JWST) have shown that this secular mode appeared around 800 million years after the Big Bang (z~7, Ciesla, Elbaz et al. 2023, arXiv:2309.15720). One of the most disturbing results from the JWST happens to be the presence of disks that were already well formed by this very cosmic time. This reinforces the idea that disks may be the main source of regulation for star formation. But then how did they form so early? Most atoms in the Universe (~90%) are located outside galaxies in a form commonly referred to as “Dark baryons” because they are essentially too diffuse to be detected. Numerical simulations suggest that when they cool down, dark baryons form collimated filaments that feed galaxies. These cold filaments may offer the best explanation to explain the early formation of disks through the injection of angular momentum during the feeding of galaxies. This would also resolve a series of unexpected results from JWST, such as the rapid growth of galaxies before z~7 and the very compact size of these galaxies (Dekel et al. 2023). To address this question, we will be using data from the Euclid satellite, thanks to our participation in the Euclid consortium, to investigate the existence of links between galaxy morphology, color and age of disks with the position of galaxies in large structures (distance to large filaments). Indeed, it is known that there is a preferential orientation of disks along the great filaments of large structures.