Étude des sources de la réionisation dans la simulation SPHINX

par Mathieu Chuniaud

Thèse de doctorat en Astrophysique

Sous la direction de Jérémy Blaizot.

Soutenue le 13-09-2021

à Lyon , dans le cadre de École doctorale de Physique et d’Astrophysique (Lyon) , en partenariat avec Université Claude Bernard (Lyon) (établissement opérateur d'inscription) et de Centre de recherche astrophysique de Lyon (CRAL) (laboratoire) .

Le président du jury était Johan Richard.

Le jury était composé de Jérémy Blaizot, Nicole Nesvadba, Dominique Aubert, Hakim Atek, Anne Brochec-Verhamme, Laurence Tresse.

Les rapporteurs étaient Nicole Nesvadba, Dominique Aubert.


  • Résumé

    L'époque de la réionisation est la période où l'ensemble de l'hydrogène neutre qui constitue l'Univers se voit réionisé. Cette époque commence avec l'apparition des premières galaxies, dont les étoiles apportent l'énergie nécessaire à la réionisation de l'hydrogène, et s'étend durant le premier milliard d'années de l'histoire de l'Univers. Le redhsift lointain de la réionisation fait qu'il actuellement très difficile d'observer les galaxies de cette époque, qui sont pourtant les sources de ce changement d'état de l'Univers. L'un des moyens de pallier cette difficulté et de compléter le travail des observations est d'étudier les sources de la réionisation à l'aide de simulations numériques. C'est ce que propose ici cette thèse. À l'aide de SPHINX, une simulation hydrodynamique qui résout le couplage entre la matière et le rayonnement et simule des milliers de halos galactiques à l'époque de la réionisation, je me suis focalisé sur la fraction d'échappement de photons ionisants depuis les halos vers le milieu inter-galactique. Je me suis d'abord intéressé au rôle et aux caractéristiques des halos durant la réionisation d'un point de vue statistique, en étudiant l'ensemble de la population à différents redhsifts. Cela a notamment permis de mettre en avant l'importance des halos peu massifs, plus nombreux, concernant la réionisation. Puis dans un second temps je me suis concentré sur l'étude du halo le plus massif de la simulation afin de comprendre les mécanismes physiques responsables de l'échappement des photons ionisants. Cette étude a révélé l'aspect cyclique de la fraction d'échappement au sein des halos, en lien avec la formation stellaire, et le rôle cruciale des supernovae concernant l'échappement des photons ionisants. Enfin, je me suis aussi intéressé à l'observabilité de la fraction d'échappement en étudiant l'anisotropie de l'échappement des photons ionisants et le lien entre magnitude absolue et fraction d'échappement. Le résultat principal de cette étude est que la sélection de galaxies ou de lignes de visée avec une magnitude brillante amène une surestimation de la fraction d'échappement.

  • Titre traduit

    Characterisation of the sources of reionisation in the SPHINX simulation


  • Résumé

    The epoch of reionisation is the transition from a neutral hydrogen Universe to a fully reionised one. It starts with the formation of the first galaxies, whose stars produce the energy responsible for the reionisation of the hydrogen, and last until one billion years after the beginning of the Universe. The high-redshift of the reionisation era makes that it is very challenging to observe galaxies from this epoch, which are, however, the sources of reionisation. In order to solve this issue and complete the observational results, numerical simulations are often used to study the sources of reionisation. This is the work I propose to carry out in this thesis. Using the SPHINX radiative hydrodynamical simulation, which simulates thousands of galactic haloes at the epoch of reionisation, I focused on the escape fraction of the ionising photons from haloes into the inter-galactic medium. I first focused on the entire halo population at different redshifts in order to statistically study the role and the characteristics of haloes during the reionisation. This allowed us to put forward the major role of the numerous small haloes during reionisation. Then I studied the most massive halo of our simulation in order to understand the physical mechanisms behind the escape of ionising photons. More specifically, I focused on the duty cycle of the escape fraction, related to the stellar formation, and the critical role of supernovae concerning the escape of ionising photons. Finally, I worked on the observability of the escape fraction by studying the anisotropy of the escape of ionising photons and the relation between the UV magnitude and the escape fraction. The principal result is that when a UV selection is made on galaxies or on lines-of-sight, it leads to an overestimation of the escape fraction.


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