Conditions initiales à partir de vitesse particulières observées pour les simulations

Constrained local universe simulations from galaxy peculiar velocities

• Auteur / Autrice : Timur Doumler
• Direction : Hélène Courtois, Matthias Steinmetz
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Astrophysique
• Date : Soutenance le 22/06/2012
• Etablissement(s) : Lyon 1 en cotutelle avec Universität Potsdam (1991-....)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de Physique et Astrophysique de Lyon (Lyon ; 1991-....)
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jules Gascon, Stefan Gottlöber, Yehuda Hoffman, R. Brent Tully, Gustavo Yepes
• DOI : 10.70675/d315a0f1z06b7z4d74z8b37z8468eee624aa

Mots clés

Mots clés contrôlés

Groupe local (astronomie)

Galaxies

Cosmologie

Mots clés libres

Simulations numériques cosmologiques

Cosmics flows de galaxies

Cosmologie

Univers local

Cosmological simulations

Galaxy cosmics flows

Cosmologie

Local universe

Résumé

Les vitesses particulières de galaxies fournissent des informations importantes sur notre mouvement par rapport aux grandes structures observées et peuvent être utilisées afin de contraindre la distribution de matière noire sous-jacente. En ce basant sur cette approche, la technique des réalisations contraintes permet de calculer des simulations numériques qui ressemblent à l'Univers Local observé. Ceci fourni un laboratoire numérique puissant pour étudier la dynamique, la formation et l' évolution des structures bien connues de l'Univers Local. L' étape cruciale est de générer, à partir des données observationnelles, des conditions initiales appropriées. Nous présentons ici des améliorations de la technique des simulations contraintes, accompagnées d'un code numérique nouvellement développé et hautement optimisé, qui peut ingérer les énormes ensemble de données observationnelles. Les galaxies évoluent à partir du collapse gravitationnel des surdensités primordiales de l'univers très jeune; leurs mouvements créent un champ de déplacement à grande échelle. Une source majeure d'erreurs systématiques dans les simulations contraintes est produite si l'on ne tient pas compte de cet effet. Afin de dépasser cette limitation, nous avons développé la méthode de reconstruction par approximation inverse de Zeldovich (RZA). La RZA permet de reconstruire les déplacements et les positions initiales des galaxies observées et de générer une estimation significativement meilleure des conditions initiales de l'Univers Local. Cette méthode est intensivement testée sur des données de simulations. Nous étudions aussi l'influence de la qualité des données et de diverses erreurs observationnelles et/ou systématiques. Nous démontrons qu'avec la technique RZA, la qualité de la reconstruction des champs de densité et de vitesse est drastiquement améliorée. La position des objets dans les simulations contraintes évoluées sont retrouvées plus précisément et sur un plus grand intervalle de masses

Die Pekuliargeschwindigkeiten von Galaxien liefern wertvolle Informationen über ihre Bewegungrelativ zu den beobachteten großräumigen Strukturen und können verwendet werden, um diezugrundeliegende Verteilung der dunklen Materie abzuschätzen. Auf dieser Grundlage könnenmit der Methode der “Constrained Realisations” numerische Simulationen durchgeführt werden,die die Materieverteilung im Lokalen Universum widerspiegeln und somit leistungsfähige numerischeExperimente ermoeglichen, um die Dynamik, Entstehung und Evolution von Strukturenim lokalen Universum zu untersuchen. Eine wichtige Voraussetzung für diese Experimente ist es,korrekte Anfangsbedingungen aus den Beobachtungsdaten abzuleiten.In dieser Arbeit werden Verbesserungen der “Constrained Simulations”-Technik sowie ein fürdiesen Zweck neu entwickelter, hochgradig optimierter numerischer Code vorgestellt, welcheres ermöglicht, die kommenden, sehr umfangreichen Beobachtungsdaten zu verarbeiten. Galaxienentwickeln sich aus dem Gravitationskollaps von primordialen Überdichten im frühen Universum.Deren Bewegung führt zu einer großräumigen Dislokation, deren Vernachlässigung die größtesystematische Fehlerquelle für “Constrained Simulations” darstellt. An dieser Stelle knüpft dieReverse-Zeldovich-Näherung (RZA) an, die hier vorgestellt wird. Mithilfe der RZA können wirdiese Dislokation abschätzen und somit die ursprünglichen Positionen der beobachteten Galaxienrekonstruieren. Dadurch erhält man wesentlich genauere Anfangsbedingungen fuer die Entwicklungdes Lokalen Universums. Diese Methode wird ausführlich an Simulationsdaten getestet.Der Einfluß der Datenqualität und verschiedener Beobachtungs- und systematischer Fehler wirdeingehend untersucht. Die Rekonstruktionsgenauigkeit der Dichte- und Geschwindigkeitsfelderkann durch den Einsatz der RZA signifikant erhöht werden. In unseren Tests stimmen die Positionenvon Objekten in den mit RZA erzeugten “Constrained Simulations” wesentlich besser mitden ursprünglichen überein, als ohne die RZA, und das für einen deutlich größeren Bereich vonMassen

Galaxy peculiar velocities provide valuable information about our motion with respect to theobserved large-scale structure and can be used to constrain the underlying dark matter distribution.Based on this approach, the technique of constrained realisations allows us to run numericalsimulations that resemble the observed Local Universe. This provides a powerful numerical laboratoryto study the dynamics, formation and evolution of structure in the Local Universe. Thecrucial step is to generate appropriate initial conditions from the observational data.We present here improvements on the technique of constrained simulations, along with anewly developed highly optimised numerical code that can handle the upcoming large observationaldatasets. Galaxies evolve from the gravitational collapse of primordial overdensities in theearly Universe; their motion leads to a large-scale displacement field. A major source of systematicerrors in constrained simulations arises by not accounting for this effect. To overcome thislimitation, we develop the Reverse Zeldovich Approximation (RZA) reconstruction method. TheRZA allows to reconstruct displacements and initial positions of observed galaxies and generatea significantly better estimate of the initial conditions of the Local Universe. This method isextensively tested on simulation data. We also study the influence of data quality and variousobservational and systematic errors. We show that with the RZA technique, the reconstructionquality of the density and velocity fields improves significantly. The positions of objects in theevolved constrained simulations are recovered more accurately and over a wider range of masses.