Origine du champ magnétique en cosmologie et formation des galaxies
Résumé
In this dissertation, I present a theoretical work addressing two fundamental questions of modern cosmology. First, galaxy formation models suffer from problems of which the over-cooling is presumably the most serious. In order to propose a solution to it, I explore the physics of the biphasic magnetised Interstellar Medium (ISM) of our Galaxy. I show how interferences of Alfvén waves within a cloud of the ISM strongly enhance the internal magneto-turbulent energy density. I then study numerically the energy transport and injection mechanisms in a system of magnetised clouds. On the one side, the motions of clouds connected by a magnetic field spread energy over the whole system. On the other side, they inject energy into the clouds by generating internal hydromagnetic waves. The latter provide a non-thermal pressure which opposes external compression and lengthens the life time of the system. I finally show that the time of energy dissipation is several orders of magnitude longer than the one of the corresponding homogeneous system. The energy is effectively stored on several dynamical time scales. Considering a toy model of a biphasic protogalaxy, I show that the cloud systems in the ISM and the protogalaxy are dynamically equivalent. To solve the over-cooling, I suggest to transpose the results obtained for the ISM to the protogalaxy case. Second, the origin of magnetic fields in cosmology eluded any attempt of explanation. Yet its role in structuring the ISM and its involvement in galaxy formation are evident. Here I propose a new magnetogenesis mechanism operating on large scales at the reionisation of the Universe. On galaxy scales, the magnetic field produced is roughly eight orders of magnitude stronger than in usual models. Furthermore, it is generated preferably on large scales, small scale fields being largely suppressed. These two properties allow the model to account for fields detected in large scale structures.
Ma thèse est le fruit d'un travail théorique centré sur deux questions fondamentales de la cosmologie actuelle: la formation des galaxies d'une part, et l'origine des champs magnétiques à grande échelle d'autre part. Je propose une solution au problème du sur-refroidissement dont souffrent les modèles de formation des galaxies. Pour cela, à l'aide d'un modèle analytique simple, puis au moyen de simulations numériques, j'explore les mécanismes de transfert et de stockage d'énergie par ondes d'Alfvén en œuvre dans le milieu interstellaire (MIS) biphasique. Je montre d'une part que les interférences des ondes internes aux nuages du MIS, négligées dans les études précédentes, renforcent l'efficacité d'injection d'énergie. D'autre part, les mouvements des nuages redistribuent l'énergie à l'échelle du système entier. Ils injectent aussi de l'énergie dans les nuages. Les modes vibratoires internes excités s'opposent à la compression des nuages et prolongent la durée de vie du système. Les nuages magnétisés constituent alors un réservoir d'énergie sur plusieurs temps dynamiques. A l'aide d'un modèle de protogalaxie biphasique, je montre que la dynamique des nuages du MIS et celle d'une protogalaxie sont équivalentes. Pour résoudre le sur-refroidissement, je propose la transposition des résultats du MIS au cas protogalactique. Malgré les diverses tentatives passées, l'origine du champ magnétique en cosmologie n'a pas trouvé d'explication satisfaisante. Or, sa place au sein du MIS et son rôle dans la formation des galaxies sont manifestes. Je propose dans ma thèse un nouveau mécanisme de magnétogenèse efficace à grande échelle, opérant à la réionisation de l'Univers, et reposant sur la pression de radiation anisotrope et inhomogène fournie par les premières structures lumineuses. A l'échelle galactique, le champ magnétique que j'obtiens est huit ordres de grandeur plus intense que dans les modèles habituels. De plus, il est généré avant tout aux grandes échelles, les champs à petite échelle étant largement supprimés. Ces deux propriétés permettent au modèle proposé de rendre compte des champs observés dans les grandes structures.
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