Valérie de Lapparent Directrice de recherche

Institut d'Astrophysique de Paris

Proposition de stage de Master 1 ou Master 2 :

Est-ce que les spins des disques des galaxies sont alignés avec les murs et filaments de la toile cosmique ?

Il s'agit de mesurer les orientations de spin des disques des galaxies spirales et lenticulaires du grand relevé du ciel « Sloan Digital Sky Survey » (pour naviguer dans le relevé), par rapport aux murs et filaments de la « toile cosmique » (voir Figure 1 plus bas).

La distribution des galaxies à grande échelle (la « toile cosmique ») a une structure alvéolaire, caractérisée par des vides de matière lumineuse, délimités par des feuillets ou murs, à l'intersection desquels se trouvent des filaments, qui eux-mêmes se rejoignent dans les amas (de Lapparent, Geller, Huchra 1986 ; Colless et al. 2001 ; Tegmark et al. 2004). Lors de la formation des premières grandes structures, l'effondrement gravitationnel se fait préférentiellement selon un axe et conduit à la formation des « pancakes » (Zel’dovich 1970), qui conduiront aux murs observés dans la toile cosmique. Un couple est alors induit par effet de marée dans les proto-halos de galaxies se forment dans ces structures (« tidal torque theory », Hoyle 1951 ; Hoyle 1951, Peebles 1969, White 1984), qui induira des galaxies avec un axe de rotation plutôt perpendiculaire à l'axe de l'effondrement, c'est-à-dire aligné avec les murs. Un faible mais réel effet de ce type a été détecté dans les simulations numériques (Aragón-Calvo et al. 2007; Hahn et al. 2007).

Lors de leur formation et évolution, les galaxies sont entraînées, du fait de la densité croissante, depuis les murs vers les filaments, puis le long des filaments vers les amas. Durant ces migrations, elles fusionnent entre elles. Au cours de ce processus, elles acquièrent un moment orbital qui se transforme en moment angulaire de rotation de la galaxie finale (Sales et al. 2012 ; Codis et al. 2012). Comme les galaxies proviennent des murs, le moment orbital est perpendiculaire aux murs, et donc l'axe du moment angulaire de rotation final, ou spin, est aligné avec le filament (voir Figure 2 plus bas). Ainsi, les simulations numériques de formation des grandes structures montrent que les disques des galaxies ont tendance à être perpendiculaires aux filaments dans lesquels elles se trouvent (Dubois et al. 2014 ; Ganeshaiah Veena et al. 2018).

Les galaxies du relevé SDSS sont observées projetées sur le ciel : c’est l'élongation des disques que l'on utilisera pour mesurer l'angle d'inclinaison des galaxies sur le ciel, puis en recherchant la portion de mur ou de filament la plus proche extraite de la toile cosmique, on déterminera l'angle entre la grande structure et l'axe de rotation de la galaxie.

La statistique de l'analyse proposée reposera sur plus de 100 000 galaxies, et utilisera les filaments cartographiés par le code DisPerSe. Le nouveau logiciel très performant SourceXtractor++ (Bertin et al. 2020) développé dans le cadre du projet de l'observatoire spatial Euclid (lancement prévu en 2023) sera utilisé pour mesurer l'élongation des disques à partir des images par ajustement des profils des galaxies. Ce nouveau code présente l'avantage de permettre la pose d'à priori sur les paramètres afin de se limiter à des modèles physiquement réalistes (par exemple le rayon effectif du bulbe est inférieur à celui du disque), ainsi que l'ajustement d'un même modèle dans les différents filtres (avec une marge contrôlable bande à bande). En l'absence de telles contraintes, les dégénérescences entre les paramètres dispersent les mesures des paramètres des composantes, et empêchent toute analyse statistique fiable.

Les programmes pour effectuer ces modélisations existent déjà, ils ont été développés dans le cadre de la thèse de Louis Quilley (Quilley & de Lapparent 2022; Podcast de France-Culture, Une du site internet de l'IAP, Actualité de l'INSU/CNRS, Actualité de Sorbonne Université), qui sera soutenue en septembre 2023.

Des images synthétiques de galaxies projetéees sur le ciel pourront être générées en grand nombre avec les logiciels Stuff et SkyMaker de la suite AstrOmatic, et utiliséees pour évaluer les performances de ces mesures (déjà codé durant un stage de Licence).

Des alignements, faiblement significatifs, ont été mesurés dans le relevé SDSS, mais en utilisant une cartographie des filaments et des mesures d'orientation des galaxies bien moins performantes (Tempel et al. 2013, Zhang et al. 2015, Hirv et al. 2017). Ce projet serait le premier à valider dans les données que les disques des galaxies se forment selon le scénario observé dans les simulations numériques à N-corps avec matière noire et hydrodynamique du gaz, par exemple les simulations Horizon (voir le lien "skymap" pour ces cartes simulées), développées à l'IAP.

Références