Baryonic processes in the large scale structuring of the Universe

par Jean-Baptiste Durrive

Thèse de doctorat en Astroparticules et cosmologie

Sous la direction de Mathieu Langer.

Le président du jury était François Boulanger.

Le jury était composé de Mathieu Langer, François Boulanger, Katia Ferrière, Françoise Combes, Michael Joyce, Saleem Zaroubi.

Les rapporteurs étaient Katia Ferrière, Françoise Combes.

  • Titre traduit

    Processus baryoniques de la structuration de l'Univers à grande échelle


  • Résumé

    Ma thèse porte sur deux questions importantes de la Cosmologie:(i) L'origine des champs magnétiques cosmologiques:L'Univers semble magnétisé à absolument toutes ses échelles (spatiales et temporelles), y compris le milieu intergalactique. Mais leur origine est encore inconnue à l'heure actuelle, malgré les nombreux efforts pour essayer de répondre à cette question. On pense qu'ils ont d'abord été générés avec de très faibles amplitudes, puis qu'ils ont été amplifiés au cours de la formation des structures. La turbulence dans les galaxies et les amas de galaxies modifie totalement l'organisation initiale de ces champs, ce qui fait que les champs observés actuellement dans les structures ne nous renseignent pas sur leur origine. Il convient donc de s'intéresser aux champs intergalactiques. J'ai dévelopé analytiquement un modèle de magnétogénèse basé sur la photoionisation du milieu intergalactique par les premières étoiles et les premières galaxies apparues dans l'Univers, il y a environ 13 milliards d'années. Puis, en collaboration avec H. Tashiro et N. Sugiyama (Japon), j'ai calculé de façon analytique la densité d'énergie moyenne injectée par ce processus dans le contexte cosmologique, et en parallèle, en collaboration avec D.Aubert (France), j'ai étudié les propriétés statistiques du champs généré à travers des simulations numériques. Nos prédictions sont compatibles avec les observations actuelles. Ce mécanisme a donc dû participer à la magnétisation de l'Univers à ses plus grandes échelles.(ii) Fragmentation gravitationnelle de la toile cosmique:Les simulations numériques suggèrent que la matière dans l'Univers est répartie de façon filamentaire, les noeuds de ce réseau étant les amas de galaxies. La matière s'écoule le long de ces filaments. L'accrétion dans les noeuds est donc anisotrope, et il s'avère qu'elle est aussi en partie intermittente. Cela indique que la matière ne se structure pas uniquement dans les amas, mais aussi dans les filaments, voire les nappes ou les vides cosmiques. Je me suis donc intéressé à l'instabilité gravitationnelle dans les milieux stratifiés. J'ai proposé une nouvelle approche, dans le cadre de la théorie spectrale, en m'inspirant de la littérature plasma.


  • Résumé

    My thesis deals with two important topics of Cosmology:(i) Origin of cosmological magnetic fields:Magnetic fields seem ubiquitous in the Universe, present at all scales and all times, probably even in the entire intergalactic medium. Their origin is still unclear, especially on the largest scales. The current paradigm is that they were first generated with extremely weak strengths, and later amplified during structure formation. Because of turbulence, the fields we observe in galaxies and galaxy clusters lost their initial characteristics. However, in less dense regions such as cosmological filaments, sheets or voids, magnetic fields have evolved more mildly. Therefore, intergalactic magnetic fields may still possess a memory of the processes that generated them and hold the key to their origin. I developed analytically a detailed physical model of a natural astrophysical mechanism that generates intergalactic magnetic fields during the first billion year, namely at the time when first stars and galaxies were born. Then, in collaboration with H. Tashiro and N. Sugiyama (Japan), I computed analytically the mean energy density injected in the entire Universe through this mechanism. Independently, in collaboration with D. Aubert (France), I derived the topological and statistical properties of the magnetic field thus generated, using cosmological numerical simulations. This way I demonstrated that this simple, natural photoionization-based magnetogenesis must have created magnetic seed fields with properties a priori perfectly compatible with present day observations.(ii) Gravitational fragmentation of the cosmic web:Cosmological numerical simulations suggest that the Universe has a web-like structure, the nodes of which are galaxy clusters. These nodes are supplied with matter flowing along the filaments interconnecting them. Part of this accretion occurs intermittently, which indicates that clumps of matter form not only inside clusters themselves, but also either in cosmic voids, walls and/or filaments. I studied gravitational instability in stratified media in the frame of spectral theory, in planar and cylindrical geometries, relevant for cosmic walls and filaments, for isothermal, polytropic, and with and without an external gravitational background (e.g. Dark Matter). I have recasted the problem as an eigenvalue problem in the force operator formalism, and derived the wave equation governing the growth of perturbations. I also studied it in matrix form, which gives complementary information.


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