Comprendre l'émergence des propriétés des galaxies grâce aux simulations numériques
Corentin Cadiou
Chargé de recherche CNRS
@cphyc.bsky.social
cphyc.github.io
Crédits : NASA & ESA
Galaxie Sombrero
M83
Galaxie “Pingouin”
Nuages de Magellan
Galaxie M87
Le Grand Débat, 26 avril 1920, AMNH, New York
Ces nébuleuses sont-elles dans la Voie Lactée ou lointaines ?
Harlow Shapley
Heber Curtis
Crédits : NASA/ESA
Point de vue de Shapley : Voie Lactée = Univers
van Maanen, Astrophysical Journal, 1916
Première photographie : Isaac Roberts, 1892
Crédits : NASA/ESA
- Rotation observée de la nébuleuse du Moulinet (Pinwheel)
- Observation d'une nova plus lumineuse que toute sa nébuleuse
Point de vue de Curtis : Univers-Îles
Henrietta Swan Leavitt
Période
Magnitude
"Periods of 25 Variable Stars in the Small Magellanic Cloud", Pickering 1912
Crédits : NASA/ESA
Plaque photographique de la galaxie d'Andromède
E. Hubble, 1924
- Plus de novæ dans Andromède que dans toute la Voie Lactée
- Vitesse de récession bien trop élevée pour être dans la Voie Lactée
Crédits : NASA & ESA
Quelle est alors l'origine des galaxies ?
Onwards to simulations
Mary Tsingou-Mengel, wrote (one of?) the first computer simulation in 1955, with Enrico Fermi, John Pasta and Stanislaw Ulam
En route pour la simulation : gravité
Erik Holmberg
Université de Lund, Suède
37 particules (!!)
En route pour la simulation : cosmologie
En route pour la simulation : cosmologie
Crédits : Collab. Planck
\(T \approx 3\,\mathrm{K}\approx-270\,\mathrm{°C}\)
\(T = 2.725\,5 \pm 0.000\,6\,\mathrm{K}\)
(\(\pm 0.02\%\))
Nous avons des conditions initiales
En route pour la simulation : cosmologie
Nous devons simuler un Univers en expansion
Nous avons des conditions initiales
Contenu énergétique de l'Univers
Nous devons simuler un Univers en expansion
Contenu énergétique de l'Univers
Contenu énergétique de l'Univers
Nous devons simuler un Univers en expansion
En route pour la simulation : hydrodynamique
Gravité + hydrodynamique + cosmologie
Note : taille de la Voie Lactée \(10^5\,\mathrm{ly}\)
Note : distance à la plus proche étoile : \(4\,\mathrm{ly}\)
Densité de gaz
Densité de gaz
Température
“Star formation”
“Feedback”
Toutes les bombes nucléaires testées : \(2\times10^{18}\,\mathrm{J}\)
Une supernova : \(10^{44}\,\mathrm{J}\)
« boum »
Gaz froid et dense
Gravité + hydrodynamique + cosmologie + formation d'étoiles
Petit aparté :
Que se passe t'il quand on se trompe d'un facteur 10 sur l'énergie des supernovæ?
Si on transforme notre gaz en étoiles
Gaz
Étoiles
Galaxie du Moulinet, crédits HST
Il manque de la masse…
Crédits: Euclid/ESA
Lentille gravitationnelle
Crédits: Euclid/ESA
Trop de galaxies massives dans les observations
Crédits: Ingo Berg/Wikipedia
Tel que simulé
Observé
Courbe de rotation
Vera Rubin, 1963
Gravité + hydrodynamique + cosmologie + formation d'étoiles + matière noire
Crédits: Ingo Berg/Wikipedia
Sans matière noire
Observé / avec matière noire
Courbe de rotation
“Observations”
Crédits: Yohan Dubois / Horizon-AGN simulations
+ gaz
+ étoiles
Recette pour une bonne galaxie ?
Matière noire
Avec notre modèle
Étoiles autour du Sgr* / Crédits: ESO
Image du gaz avoisinant / EHT Collaboration
Jet radio / NASA, ESA
~ quelques minutes lumière
~100 heures lumière
~10 000 années lumière
~100 000 années lumière
Trou noir supermassif
Noyau actif de galaxie
Gravité + hydrodynamique + cosmologie + formation d'étoiles + matière noire + trous noirs supermassifs
Modèle « standard » de la formation des galaxies :
gravité + hydrodynamique + cosmologie + formation d'étoiles + matière noire + trous noirs supermassifs
Quelques problèmes restant :
- taille des galaxies (trop compactes ou trop étendues)
- origine et croissance des trous noirs supermassifs ?
- formation des premières étoiles ?
- galaxies qui se forment trop vite ?
- composition chimique des galaxies ?
- poussière ? rayons cosmiques ?
- [...]
Questions ?
Nous pouvons simuler des galaxies sur des (super)ordinateurs
→ aperçu des galaxies réelles
→ meilleure compréhension de la physique
→ banc d'essai de l'astrophysique
Questions ?
Qu'est-ce qu'une galaxie ?
Crédits : A. Russell/ESO
Qu'est-ce qu'une galaxie ?
Crédits : A. Russell/ESO
- Des centaines de milliards d'étoiles*
- Poussière
- Gaz
- Matière noire
- Trous noirs supermassifs
- Rayons cosmiques, planètes, …
* vrai uniquement pour la Voie lactée, peut varier de plusieurs ordres de grandeur
Poussière dans la nébuleuse de la tête de cheval, crédits : HST
Région de formation d'étoiles (Westerlund 2), crédits : HST
SMBH dans la galaxie M87, crédit : EHT
DM (en bleu) dans une simulation
Crédits : Adams Evans
Observations en astronomie
Crédits : Adams Evans
Observations en astronomie
Trois enjeux clés
- Distances — pas de parallaxe
Crédits : Adams Evans
Observations en astronomie
Trois enjeux clés
- Distances — pas de parallaxe
- Temps — apparemment pas d'évolution
Crédits : Adams Evans
Observations en astronomie
Trois enjeux clés
- Distances — pas de parallaxe
- Temps — apparemment pas d'évolution
Andromède en 1899 par Isaac Roberts
Crédits : Adams Evans
Observations en astronomie
Trois enjeux clés
- Distances — pas de parallaxe
- Temps — apparemment pas d'évolution
- Couplage d'échelle
mm
km
10 000 km
Crédits : Adams Evans
Observations en astronomie
Trois enjeux clés
- Distances — pas de parallaxe
- Temps — apparemment pas d'évolution
- Couplage d'échelle
km
10 000 km
\(10^{-3} \ \mathrm{ly} \)
Crédits : Adams Evans
Observations en astronomie
Trois enjeux clés
- Distances — pas de parallaxe
- Temps — apparemment pas d'évolution
- Couplage d'échelle
\(10\ \mathrm{ly}\)
10 000 km
\(10^{-3} \ \mathrm{ly} \)
Crédits : Adams Evans
Observations en astronomie
Trois enjeux clés
- Distances — pas de parallaxe
- Temps — apparemment pas d'évolution
- Couplage d'échelle
\(10\ \mathrm{ly}\)
\(100 000 \ \mathrm{ly}\)
\(10^{-3} \ \mathrm{ly} \)
Comment simuler l'Univers ?
... et les galaxies qui s'y trouvent
Contenu énergétique de l'Univers
Nous devons simuler un Univers en expansion
Contenu de matière de l'Univers
✅ Nous devons simuler un Univers en expansion
\(80\%\) de matière noire
\(20\%\) de “matière ordinaire”
<\(1\%\) lumière, neutrinos, trous noirs, …
Matière noire
\(80\%\) de matière noire
\(20\%\) de “matière ordinaire”
<\(1\%\) lumière, neutrinos, trous noirs, …
✅
Matière noire
Gaz
\(80\%\) de matière noire
\(20\%\) de “matière ordinaire”
<\(1\%\) lumière, neutrinos, trous noirs, …
✅
✅
Gaz
Étoiles
Matière noire
\(80\%\) de matière noire
\(20\%\) de “matière ordinaire”
<\(1\%\) lumière, neutrinos, trous noirs, …
✅
✅
✅
Gaz
Étoiles
Matière noire
\(80\%\) de matière noire
\(20\%\) de “matière ordinaire”
<\(1\%\) lumière, neutrinos, trous noirs, …
✅
✅
✅
Gaz
Étoiles
Matière noire
\(80\%\) de matière noire
\(20\%\) de “matière ordinaire”
<\(1\%\) lumière, neutrinos, trous noirs, …
✅
✅
✅
Nous avons un scénario pour la formation des galaxies
Nous avons un scénario pour la formation des galaxies
- Formation de "halos" de matière noire...
- ... et du réseau cosmique
- Le gaz tombe, les galaxies fusionnent
- Le gaz se condense pour former des étoiles & des trous noirs
- Étoiles & trous noirs expulsent du gaz
3C 348 vu par HST & VLA
Nébuleuse du Crabe vue par HST
Nous avons un scénario pour la formation des galaxies
Pouvons-nous le tester ?
NASA ; ESA ; et F. Summers
Les simulations sont un substitut aux expériences
Fusion de la Voie lactée (notre propre galaxie)
avec Andromède [dans quelques milliards d'années]
NASA ; ESA ; et F. Summers
Les simulations sont un substitut aux expériences
NASA ; ESA ; et F. Summers
Conditions initiales identiques
Même “modèle physique”
Ils divergeront finalement (simulations exécutées à des rythmes différents + erreurs numériques)
3 paramètres :
- cohérence
- sépération
- alignement
Conditions initiales identiques
Paramètres différents
Même “Univers”
Modèles physiques différents
Effet des paramètres physiques
Formation des étoiles
Formation des trous noirs
Effets de rétroaction
[...]
Effet des paramètres physiques
Dubois+16
Les trous noirs empêchent la formation
de grandes galaxies spirales
Effet des paramètres physiques
Dubois+16
Conditions initiales différentes
Mêmes paramètres physiques
“Univers” différent
Mêmes modèles physiques
Les conditions initiales de l'Univers
Notre univers entier était dans un état chaud et dense*
Puis, il y a presque quatorze milliards d'années, l'expansion a commencé, attendez […]
*(et homogène)
Les conditions initiales de l'Univers
Satellite Planck. Crédits : ESA/NASA/JPL-Caltech
Les conditions initiales de l'Univers
Les conditions initiales de l'Univers
Conditions initiales
Univers évolué (+ galaxies)
Les conditions initiales de l'Univers
Univers évolué (+ galaxies)
L'Univers est déterminé
par ses conditions initiales
Conditions initiales = ADN des galaxies
Galaxies génétiquement modifiées ?
\(14\ \mathrm{Gyr}\)
