Les premières galaxies

par Ioanna Koutsouridou

Projet de thèse en Astronomie et Astrophysique

Sous la direction de Andrea Cattaneo.

Thèses en préparation à Paris Sciences et Lettres , dans le cadre de École doctorale Astronomie et astrophysique d'Île-de-France (Meudon, Hauts-de-Seine) , en partenariat avec Galaxies, Etoiles, Physique, Instrumentation (Paris) (laboratoire) et de Observatoire de Paris (établissement de préparation de la thèse) depuis le 30-09-2017 .


  • Résumé

    Les galaxies ont été formées par l'instabilité gravitationnelle de fluctuations primordiales de densité. Expliquer comment les petites fluctuations que l'on observe dans le fond cosmique de micro-ondes ont évolué jusqu'à devenir les galaxies que nous observons dans l'Univers aujourd'hui est l'objectif de la théorie de la formation des galaxies. Les simulations numériques et les modèles semi-analytiques sont les instruments que les théoriciens utilisent pour explorer différents scénarios physiques. Le jugement final sur le succès d'une théorie est porté par les observations, mais observer les galaxies à grand z comport des défis majeurs. Pourtant, c'est là que les différences entre les modèles sont les plus remarquables, aussi parce que les modèles ont presque tous été calibrés sur des données locales. C'est pour cela que les observateurs attendent avec impatience les nouveaux instruments qui nous permettront de regarder encore plus en profondeur dans l'Univers lointain. Prévu pour octobre 2018, le lancement du télescope spatial James Webb ouvrira une ère nouvelle dans l'histoire de l'astronomie. Pour la première fois, l'humanité aura accès a une vision complète de la formation des galaxies, des premières objets jusqu'au présent. Du point de vue d'un théoricien, simuler l'Univers lointain n'est pas techniquement plus difficile que simuler l'Univers proche. Tout ce que l'on a à faire c'est d'arrêter les calculs plus tôt. Mais les nouvelles observations qui vont arriver dans les prochaines années ouvriront la possibilité de vérifier les prédictions des modèles dans des territoires jusqu'aujourd'hui complètement inexplorés. Jusqu'il y a quelques années, les modèles semi-analytiques avaient de grosses difficultés à reproduire le nombre de galaxies massives à z = 2-3. Est-ce que le même problème se représentera à des décalages spectraux encore plus élevés ? Et que trouverons-nous à faible brillance, où déjà à z > 1 c'est difficile de reproduire l'évolution de la fonction de luminosité des galaxies ? Pour les théoriciens, le défi est intensifier le rythme des recherches pour être capable de faire des prédictions avant que les premiers résultats du Télescope Spatial James Webb commencent à sortir en 2019/2020. C'est pour pour cela que l'automne 2017 est un moment très excitant pour démarrer une thèse dans ce domaine très dynamique. L'étudiant(e) retenu(e) pour ce projet : 1) apprendra à se servir de GalICS 2.0, un modèle semi-analytique de la formation des galaxies en cosmologie de la dernière génération, ainsi bien que des modèles d'évolution stellaire, qui seront utilisés durant la thèse pour convertir les histoires de formation stellaire prédites par GalICS 2.0 en quantités observables, telles que des magnitudes et des spectres, 2) comparera les résultats pour ces quantités aux toutes dernières observations, 3) comprendra l'origine de toute incohérence découverte au cours de cette comparaison et 4) identifiera quels aspects de la théorie de la formation des galaxies doivent être modifiés pour résoudre ces incohérences.

  • Titre traduit

    The first galaxies


  • Résumé

    Galaxies formed from the gravitational instability of primordial density fluctuations. Explaining how the tiny fluctuations observed in the cosmic microwave background evolved into the galaxies the galaxies see in the Universe today is the goal of galaxy formation theory. Computer simulations and semi-analytic models are the tools that theorists use to explore different physical scenarios. Observations are the ultimate judge of theories' capacity to describe the Universe, but observations of high-redshift galaxies, where models differ most (largely because they are all calibrated on the same low-redshift data), present numerous challenges. This is why observers impatiently away the advent of new instruments, such as the James Webb Space Telescope (JWST), with which they will be able look even deeper into the remotest recesses of the Universe. Scheduled for October 2018, the launch of JWST will open a new era of astronomy. For the first time, we shall have a complete view of the galaxy formation process across the Hubble time, from the first galaxies to the Universe today. For a theorist, simulating the high-redshift Universe is no greater technical challenge than simulating the Universe today. All one has to do is to stop the calculation earlier. However, new data will open the prospect of pushing theoretical predictions into unchartered territories. Until a few years ago, semianalytic models struggled to reproduce the number density of massive galaxies at z = 2 – 3. Will the problem reappear at higher redshifts? What about the faint-end slope of the galaxy stellar mass function, which we still have difficulty in reproducing at z > 1? The challenge for theorists is to pick up the pace and come up with predictions before the first observational results in 2019/2020. This is why automn 2017 is an exciting time to start a PhD project in this vibrant domain. The successful candidate will: 1) learn how to use GalICS 2.0, a latest-generation semi-analytic model of galaxy formation in a cosmological context, and how to use stellar evolution models to convert the star formation histories predicted by GalICS 2.0 into observable spectra and luminosities, 2) compare these predictions to the most recent observations, 3) investigate the origin of any discrepancy that may be discovered, and 4) understand which aspects of the theory must be changed to overcome these discrepancies.