Mesure et implications dynamiques des flux de
matière noire à la surface du viriel des halos de galaxies
Résumé
The success of the concordant cosmological model seem to be difficult to extend
to galactic scales (e.g. the cusp of dark matter profile, or the overproduction of small
structures). It is therefore of prime importance to focus on the dynamics of objects
formed within this paradigm and study them accurately. Yet a quantitative and detailed
accounting of the inner dynamics of galaxies (through high resolution simulation for
instance) seems to be difficult to carry while remaining representative of their cosmic
environment.
In order to address this apparent difficulty, the goal of this PhD is to study statistically
the dynamics of galactic systems. This approach aims at relating the observed
distribution of the dynamical properties of galaxies to the caracteristics of environments.
This task requires both an accurate description of the inner dynamical processes, and
a good knowledge of the properties of the environment in which these galaxies are embedded.
In order to fulfill these two constrains, this work relies on an hybrid approach
in which the inner processes are described via the classical analytical tools of galactic
dynamics, while the characteristics of the interaction are extracted from large scale
simulations.
This PhD restricts itself to the interaction of dark matter halos with their environment.
The exchanges (both accretion and tidal fields) between these objets with
the outer medium are described via the flux of matter through the virial sphere and the projected tidal field. Through this description, the statistical characterization of a
boundary condition is sufficient to characterize the interaction. This halocentric view
allows in particular a retain the angular and kinetic information required to compute
the inner dynamical response of halos.
The inner dynamics is described in the regime of weak interaction through a non
linear perturbative description of the response of an open non collisional system. This
theory should account for a proper description of phenomena such as dynamical friction
of tidal stripping. Through an extension of the standard “matrix method” which
describes the dynamics in angle-action space, this technique translates directly the statistical
features of the boundary into the core of the halo. This “statistical propagation”
does not rely on the knowledge of the individual realizations of interacting systems, but
dynamical consistency require a full knowledge of the statistical properties of accretion,
and its tidal field, together with their cross dependence (through the knowledge of temporal
cross correlations). The secular evolution of the halo in the regime of recurrent
interactions is also described via a quasilinear formalism. The secular evolution of the
distribution function of the halo is investigated as a slow diffusion of the underlying
orbits induced by the presence of the accreted material.
The properties of accretion and the tidal field are derived from a large set of cosmological
simulations in order to reduce the effect of cosmic variance. These measurements
yield a quantitative description of the the interactions which is consistent with the diversity
of configuration space. These simulations only explore the regime of weak interaction
at redshifts below one. A detailed measurement of the mass flux density at the virial
radius has led to a quantitative description of the level of anisotropy of accretion towards
dark halos. This flux measurement was also completed by a thorough description of the
satellite distribution around halos, which confirmed the excess of equatorial accretion at
a level of 15%. It was interpreted as filamentary flows on the scales of halos. The
properties of the flux densities of accreted dark matter were then investigated in more
detail through a description customized to statistical propagation. The kinematic properties
of particles crossing the virial radius show a clear cut between the newly accreted
material and that which had already crossed the sphere at earlier time and had already
interacted with the halo. This difference can be traced through their trajectories or their
characteristic velocities. The angular temporal correlation of the tidal potential at the
virial radius suggest that the tidal field is stationary and strongly quadrupolar, tracing
the dark matter distribution in the peripheral regions of the halo. The corresponding
correlations for the mass flux density show in particular time invariance of the dark
matter power spectrum at the virial radius.
A short study of the distribution of metals within substructures shows how observational
measurements constrain the statistical distribution of matter within the halo.
Generally, linking the statistical properties of the environment and the variety of
dynamical responses should open a large field of possible applications. First the statistical
distribution of dark matter within halos can be predicted through the knowledge
of these fluxes. Conversely, the observational tracers of matter (X ray emission, SZ,
gravitational lensing, absorptions lines in QSO) provide constraints on the properties of
these fluxes, but also on the underlying dark matter halo model (e.g. mass profile) and
on the biases corresponding to each tracer (M/L ratios for instance). Finally, once the
statistical propagation has been validated, it should be possible to dynamically invert
for the past accretion history of a given halo from its current state.
to galactic scales (e.g. the cusp of dark matter profile, or the overproduction of small
structures). It is therefore of prime importance to focus on the dynamics of objects
formed within this paradigm and study them accurately. Yet a quantitative and detailed
accounting of the inner dynamics of galaxies (through high resolution simulation for
instance) seems to be difficult to carry while remaining representative of their cosmic
environment.
In order to address this apparent difficulty, the goal of this PhD is to study statistically
the dynamics of galactic systems. This approach aims at relating the observed
distribution of the dynamical properties of galaxies to the caracteristics of environments.
This task requires both an accurate description of the inner dynamical processes, and
a good knowledge of the properties of the environment in which these galaxies are embedded.
In order to fulfill these two constrains, this work relies on an hybrid approach
in which the inner processes are described via the classical analytical tools of galactic
dynamics, while the characteristics of the interaction are extracted from large scale
simulations.
This PhD restricts itself to the interaction of dark matter halos with their environment.
The exchanges (both accretion and tidal fields) between these objets with
the outer medium are described via the flux of matter through the virial sphere and the projected tidal field. Through this description, the statistical characterization of a
boundary condition is sufficient to characterize the interaction. This halocentric view
allows in particular a retain the angular and kinetic information required to compute
the inner dynamical response of halos.
The inner dynamics is described in the regime of weak interaction through a non
linear perturbative description of the response of an open non collisional system. This
theory should account for a proper description of phenomena such as dynamical friction
of tidal stripping. Through an extension of the standard “matrix method” which
describes the dynamics in angle-action space, this technique translates directly the statistical
features of the boundary into the core of the halo. This “statistical propagation”
does not rely on the knowledge of the individual realizations of interacting systems, but
dynamical consistency require a full knowledge of the statistical properties of accretion,
and its tidal field, together with their cross dependence (through the knowledge of temporal
cross correlations). The secular evolution of the halo in the regime of recurrent
interactions is also described via a quasilinear formalism. The secular evolution of the
distribution function of the halo is investigated as a slow diffusion of the underlying
orbits induced by the presence of the accreted material.
The properties of accretion and the tidal field are derived from a large set of cosmological
simulations in order to reduce the effect of cosmic variance. These measurements
yield a quantitative description of the the interactions which is consistent with the diversity
of configuration space. These simulations only explore the regime of weak interaction
at redshifts below one. A detailed measurement of the mass flux density at the virial
radius has led to a quantitative description of the level of anisotropy of accretion towards
dark halos. This flux measurement was also completed by a thorough description of the
satellite distribution around halos, which confirmed the excess of equatorial accretion at
a level of 15%. It was interpreted as filamentary flows on the scales of halos. The
properties of the flux densities of accreted dark matter were then investigated in more
detail through a description customized to statistical propagation. The kinematic properties
of particles crossing the virial radius show a clear cut between the newly accreted
material and that which had already crossed the sphere at earlier time and had already
interacted with the halo. This difference can be traced through their trajectories or their
characteristic velocities. The angular temporal correlation of the tidal potential at the
virial radius suggest that the tidal field is stationary and strongly quadrupolar, tracing
the dark matter distribution in the peripheral regions of the halo. The corresponding
correlations for the mass flux density show in particular time invariance of the dark
matter power spectrum at the virial radius.
A short study of the distribution of metals within substructures shows how observational
measurements constrain the statistical distribution of matter within the halo.
Generally, linking the statistical properties of the environment and the variety of
dynamical responses should open a large field of possible applications. First the statistical
distribution of dark matter within halos can be predicted through the knowledge
of these fluxes. Conversely, the observational tracers of matter (X ray emission, SZ,
gravitational lensing, absorptions lines in QSO) provide constraints on the properties of
these fluxes, but also on the underlying dark matter halo model (e.g. mass profile) and
on the biases corresponding to each tracer (M/L ratios for instance). Finally, once the
statistical propagation has been validated, it should be possible to dynamically invert
for the past accretion history of a given halo from its current state.
La question de l'inné ou de l'acquis des propriétés dynamiques des disques de galaxies reste encore largement ouverte. Si l'environnement joue une part importante dans l'établissement de ces caractéristiques (spirales, gauchissement, disques épais), son influence est modulée par la propension intrinsèque que possède un objet à réagir ou non à ces perturbations. Cette problématique ne peut être abordée quantitativement qu'en termes de populations d'objets, afin de s'affranchir des spécificités liées à un cas de figure donné. D'autre part, les grands relevés permettent déjà une étude statistique des propriétés morphologiques des galaxies. La compréhension théorique des propriétés de ces populations d'objets doit atteindre le même degré de précision et de représentativité que les observations. À cette fin, cette thèse propose d'aborder de façon statistique la dynamique des systèmes galactiques, en reliant les distributions des propriétés de ces objets aux caractéristiques statistiques des interactions qu'elles subissent. Les travaux exposés se concentrent sur la composante ”halo de matière noire” des systèmes galactiques, qui agit comme un transmetteur entre environnement cosmologique et galaxies.
Cet objectif nécessite à la fois une description correcte des processus dynamiques internes et une bonne connaissance des propriétés des environnements dans lesquels baignent les halos. Afin de répondre à cette double exigence, le cadre propose ici repose sur une approche hybride où les processus internes sont abordés via les outils analytiques de la dynamique galactique, tandis que les caractéristiques des interactions sont extraites de simulations à grande échelle. Les échanges (accrétion et champ de marée) entre les halos et le milieu extérieur sont décrits en termes de flux de matière au travers de la sphère de viriel et de potentiel projetés. La description des interactions se ramène à la caractérisation statistique d'une condition limite. Cette vision “halocentrique” permet en outre de conserver l'information angulaire et cinématique nécessaire au calcul de la réponse dynamique des halos.
La dynamique est abordée dans le régime des faibles interactions via une description perturbative non linéaire de la réponse d'un système non collisionnel ouvert. Compte tenus des temps dynamiques courts opérant au sein des halos, l'influence des faibles perturbations se manifeste via des processus résonnants, correctement décrits par un formalisme en angle-actions. Cette théorie doit permettre de décrire des phénomènes tels que la friction dynamique ou l'effeuillage par effet de marée. A partir d'une extension de la “méthode matricielle” décrivant la dynamique dans l'espace des angles-actions, il est démontré comment cette technique analytique exprime directement les caractéristiques statistiques de la réponse des halos en fonction des propriétés de leur environnement. Cette “propagation statistique” ne fait pas appel aux réalisations individuelles de systèmes en interaction, mais nécessite une connaissance complète des propriétés de l'accrétion et du champ de marée, ainsi que leurs interdépendances statistiques. L'évolution séculaire du halo dans le régime des interactions récurrentes est également décrite dans un formalisme quasi-linéaire. L'évolution de la fonction de distribution du halo y est décrite comme une diffusion au long cours des orbites du système, induite par la présence de perturbations externes.
Les propriétés de l'accrétion et du champ de marée sont extraites d'un ensemble de simulations cosmologiques permettant de réduire les effets de variance cosmique. Cette mesure permet une description quantitative des interactions et représentative de la diversité des cas de figure. Ces études sur simulations sont limitées au régime de faibles interactions pour des redshifts inférieurs à 1. La distribution du flux de masse au rayon de viriel a permis de contraindre quantitativement le degré d'anisotropie de l'accrétion de matière par les halos. Cette mesure en termes de flux est complétée par une étude détaillée de la distribution des satellites qui confirme un excès d'accrétion équatoriale de l'ordre de 15 pour cents et qui est interprétée en termes de flux filamentaire. Les propriétés de l'accrétion et du potentiel sont abordées de façon plus exhaustive via une description adaptée à la propagation statistique. Les propriétés cinématiques de la matière passant au travers du rayon de viriel mettent en évidence le caractère distinct de la matière nouvellement accrétée de celle ayant déjà interagit avec le halo. Cette différence se manifeste dans la trajectoire des flux de masse impliqués ou dans leurs vitesses caractéristiques. Les mesures de corrélations angulo-temporelles du potentiel au rayon de viriel indiquent un champ de marée stationnaire et hautement quadripolaire, traitant la distribution de matière dans les régions périphériques du halo. Les mêmes corrélations sont mesurées pour le flux de masse, montrant en particulier l'invariance au cours du temps du spectre de puissance de la matière noire au rayon de viriel. Une courte étude sur la distribution des métaux liés aux sous-structures illustre comment les études observationnelles peuvent fournir des contraintes statistiques sur la distribution de matière au sein des halos.
De façon générale, l'établissement d'un lien entre propriétés statistiques de l'environnement et distribution des réponses dynamiques des halos permet d'envisager un large champ d'applications. D'une part, la connaissance des flux doit permettre de prédire les propriétés statistiques de la répartition de la matière noire au sein des halos. À l'inverse, les traceurs observationnels de la distribution de matière (émission X, effet SZ, lentilles gravitationnelles, systèmes absorbants) fournissent des contraintes sur les propriétés réelles des flux, ainsi que sur les modèles sous-jacents de halos (profil de masse par exemple) et sur les biais associés aux traceurs utilisés (rapports M/L par exemple). Enfin, une validation à terme de la propagation statistique permet d'entrevoir la mise en place de l'inversion dynamique qui permet de remonter à l'histoire d'interaction d'un halo à partir de son état actuel.
Cet objectif nécessite à la fois une description correcte des processus dynamiques internes et une bonne connaissance des propriétés des environnements dans lesquels baignent les halos. Afin de répondre à cette double exigence, le cadre propose ici repose sur une approche hybride où les processus internes sont abordés via les outils analytiques de la dynamique galactique, tandis que les caractéristiques des interactions sont extraites de simulations à grande échelle. Les échanges (accrétion et champ de marée) entre les halos et le milieu extérieur sont décrits en termes de flux de matière au travers de la sphère de viriel et de potentiel projetés. La description des interactions se ramène à la caractérisation statistique d'une condition limite. Cette vision “halocentrique” permet en outre de conserver l'information angulaire et cinématique nécessaire au calcul de la réponse dynamique des halos.
La dynamique est abordée dans le régime des faibles interactions via une description perturbative non linéaire de la réponse d'un système non collisionnel ouvert. Compte tenus des temps dynamiques courts opérant au sein des halos, l'influence des faibles perturbations se manifeste via des processus résonnants, correctement décrits par un formalisme en angle-actions. Cette théorie doit permettre de décrire des phénomènes tels que la friction dynamique ou l'effeuillage par effet de marée. A partir d'une extension de la “méthode matricielle” décrivant la dynamique dans l'espace des angles-actions, il est démontré comment cette technique analytique exprime directement les caractéristiques statistiques de la réponse des halos en fonction des propriétés de leur environnement. Cette “propagation statistique” ne fait pas appel aux réalisations individuelles de systèmes en interaction, mais nécessite une connaissance complète des propriétés de l'accrétion et du champ de marée, ainsi que leurs interdépendances statistiques. L'évolution séculaire du halo dans le régime des interactions récurrentes est également décrite dans un formalisme quasi-linéaire. L'évolution de la fonction de distribution du halo y est décrite comme une diffusion au long cours des orbites du système, induite par la présence de perturbations externes.
Les propriétés de l'accrétion et du champ de marée sont extraites d'un ensemble de simulations cosmologiques permettant de réduire les effets de variance cosmique. Cette mesure permet une description quantitative des interactions et représentative de la diversité des cas de figure. Ces études sur simulations sont limitées au régime de faibles interactions pour des redshifts inférieurs à 1. La distribution du flux de masse au rayon de viriel a permis de contraindre quantitativement le degré d'anisotropie de l'accrétion de matière par les halos. Cette mesure en termes de flux est complétée par une étude détaillée de la distribution des satellites qui confirme un excès d'accrétion équatoriale de l'ordre de 15 pour cents et qui est interprétée en termes de flux filamentaire. Les propriétés de l'accrétion et du potentiel sont abordées de façon plus exhaustive via une description adaptée à la propagation statistique. Les propriétés cinématiques de la matière passant au travers du rayon de viriel mettent en évidence le caractère distinct de la matière nouvellement accrétée de celle ayant déjà interagit avec le halo. Cette différence se manifeste dans la trajectoire des flux de masse impliqués ou dans leurs vitesses caractéristiques. Les mesures de corrélations angulo-temporelles du potentiel au rayon de viriel indiquent un champ de marée stationnaire et hautement quadripolaire, traitant la distribution de matière dans les régions périphériques du halo. Les mêmes corrélations sont mesurées pour le flux de masse, montrant en particulier l'invariance au cours du temps du spectre de puissance de la matière noire au rayon de viriel. Une courte étude sur la distribution des métaux liés aux sous-structures illustre comment les études observationnelles peuvent fournir des contraintes statistiques sur la distribution de matière au sein des halos.
De façon générale, l'établissement d'un lien entre propriétés statistiques de l'environnement et distribution des réponses dynamiques des halos permet d'envisager un large champ d'applications. D'une part, la connaissance des flux doit permettre de prédire les propriétés statistiques de la répartition de la matière noire au sein des halos. À l'inverse, les traceurs observationnels de la distribution de matière (émission X, effet SZ, lentilles gravitationnelles, systèmes absorbants) fournissent des contraintes sur les propriétés réelles des flux, ainsi que sur les modèles sous-jacents de halos (profil de masse par exemple) et sur les biais associés aux traceurs utilisés (rapports M/L par exemple). Enfin, une validation à terme de la propagation statistique permet d'entrevoir la mise en place de l'inversion dynamique qui permet de remonter à l'histoire d'interaction d'un halo à partir de son état actuel.
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