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Theses Year : 2005

The cosmic history of the baryon budget in a hierarchical universe

L'histoire cosmique des baryons dans un univers hierarchique

Yann Rasera
  • Function : Author
  • PersonId : 833495


In the framework of the hierarchical model of galaxy formation, small primordial density fluctuations observed on the cosmological microwave background are amplified by gravitational instability leading to the formation of larger and larger halos. The gas collapses and cools in these dark matter potential wells and forms cold centrifugally supported gas discs. These discs are converted into stellar discs that is to say galaxies. The problem in this scenario is the so-called ``overcooling problem'': the resulting amount of stars is greater than the observed one by a factor of four.

I have therefore studied the evolution of baryons (hydrogen and helium gas) in the Universe using high resolution hydrodynamical simulations. Based on these results, I have developed a simple analytical model for computing the baryons mass fraction in each of the following phases: stars, cold gas in galactic discs, hot gas in clusters and diffuse gas in the intergalactic medium. The comparison of model results to observations shows us that cosmology controls the cosmic history of star formation. The important cosmological role of galactic winds is also shed to light. They eject the cold gas from discs to hot halos, overcoming the overcooling problem. Finally, I have studied the implication of baryon physics onto the diffuse gamma-ray background from light dark matter particles.
Durant cette these, j'ai etudie la formation des galaxies grace a des simulations cosmologiques et a un nouveau modele analytique. Dans le cadre du modele standard de formation hierachique des grandes structures, les petites fluctuations primordiales de densite observees sur le fond diffus cosmologique sont amplifiees par la gravite pour donner des halos de matiere noire de plus en plus gros. C'est au sein de ces halos que le gaz s'effondre et se refroidit pour former des disques de gaz froid a support centrifuge. Ces disques sont ensuite convertis en disques stellaires : les galaxies. Le probleme dans ce scenario est celui du sur-refroidissement : une trop grande part du gaz finit sous forme d'etoiles comparativement aux observations. J'ai donc realise une etude de l'evolution des baryons (un gaz d'hydrogene et d'helium) dans l'Univers grace a des simulations numeriques hydrodynamiques haute-resolution. Cependant, ces simulations sont affectees par des effets de resolution finie. J'ai ainsi developpe un modele analytique simple qui possede l'avantage de ne pas etre affecte par de tels effets. Celui-ci predit la quantite de baryons dans chacune des 4 phases suivantes : etoiles, gaz froid dans les disques galactiques, gaz chaud dans les amas et gaz diffus dans le milieu intergalactique. La comparaison des resultats aux observations a montre que la cosmologie controle le taux de formation d'etoiles dans l'Univers. Ce modele a aussi mis en lumiere le role essentiel des vents galactiques qui, ejectant le gaz froid des disques jusque dans les halos de gaz chaud, permettent d'eviter le probleme du sur-refroidissement. Enfin, en une ouverture vers l'astroparticule, j'ai etudie les implications de la physique du gaz sur le fond diffus gamma produit dans l'hypothese de matiere noire legere.
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Yann Rasera. L'histoire cosmique des baryons dans un univers hierarchique. Astrophysique [astro-ph]. Université Paris-Diderot - Paris VII, 2005. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-00070844⟩
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