Properties of Intergalactic Filaments at z = 2 and Implications for the Evolution of Galaxies

par Nicolas Cornuault

Thèse de doctorat en Astrophysique

Sous la direction de Matthew Lehnert et de François Boulanger.

Soutenue le 25-09-2017

à Paris 6 , dans le cadre de École doctorale Astronomie et astrophysique d'Île-de-France (Meudon, Hauts-de-Seine) , en partenariat avec Institut d'Astrophysique de Paris (laboratoire) .

Le président du jury était Benoît Semelin.

Le jury était composé de Adrianne Slyz, Frédéric Bournaud, Yuval Birnboim.

Les rapporteurs étaient Guilaine Lagache, Oliver Hahn.

  • Titre traduit

    Propriétés des filaments intergalactiques à z=2 et implications pour l'évolution des galaxies


  • Résumé

    L'évolution des galaxies implique un apport de gaz «froid» depuis la toile cosmique. Mais les modèles l'intégrant induisent des galaxies plus riches en baryons que les galaxies observées. Pour surmonter ce problème, les théoriciens comptent sur une formation d'étoiles rendue inefficace par une éjection massive de gaz par les disques en formation stellaire. J'explore une voie différente en étudiant les processus qui peuvent modérer l'accrétion de gaz. Nous présentons un scénario phénoménologique où le gaz accrété, s'il y a un choc viriel, devient biphasique et turbulent. Nous montrons que ce développement se produit pour des halos de ~ 10^11 à 10^13 Msol, où la majeure partie des étoiles est déjà formée dans les galaxies. Le gaz provenant de filaments intergalactiques (FIG) peut finalement perdre sa cohérence et se mélanger avec le gaz ambiant du halo. L'interaction directe entre les éjections galactiques et l'accrétion est accrue. Modérer ainsi l'efficacité de l'accrétion peut aider à surmonter l'important défi évoqué. En utilisant le code Ramses, j'ai effectué une simulation ciblée et extrait les résultats pour un FIG accrétant sur un halo de ~ 3 10^11 Msol à z ~ 2. J'ai étudié la thermodynamique et la structuration de la matière, le long et à travers le FIG. J'ai suivi l'évolution de plusieurs quantités importantes le long du FIG et dérivé un cadre plus précis pour étudier les FIG, ainsi que les conséquences sur leur sort après avoir pénétré dans un halo. J'utilise enfin ces résultats pour extrapoler les processus que la simulation peut ne pas avoir capturés avec précision.


  • Résumé

    We now understand theoretically that galaxy evolution involves inflows of “cold” gas from the cosmic web. But corresponding models grow galaxies with amounts of baryons larger than observed galaxies. To overcome this issue, theorists focus on making star formation inefficient by massively blowing gas out of star-forming disks. I explore a different road, investigating processes that may moderate gas accretion onto disks. We present a phenomenological scenario where gas accretion flows – if it is shocked – become biphasic and, as a result, turbulent. In this framework, we show that the formation of warm, turbulent clouds, embedded in a hot component, occurs in the important mass range of ∼ 10^11 − 10^13 Msun, where the bulk of stars have formed in galaxies. Gas accreted from intergalactic filaments (IGF) may eventually lose coherence and mix with the ambient halo gas. The direct interaction between galaxy feedback and accretion streams is thus more likely. Moderating the accretion efficiency may help to alleviate a number of significant challenges in theoretical galaxy formation. Using the code Ramses, I performed a zoom-in simulation and extracted the results for a particular accreting IGF into a halo of ∼ 3 10^11 Msun at z ∼ 2. I investigate the gas thermodynamics and structuration, along and across the filament, with respect to dark matter. I study several key quantities as they evolve along the filament and derive a refined paradigm to study filaments, as well as consequences regarding their fate after entering a halo. I finally make use of these results to extrapolate gas processes that the simulation may not have captured accurately.


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