Galactic Dynamics: newtonian gravity & modified gravity
Dynamique des galaxies : gravité newtonienne & gravité modifiée
Résumé
Dynamics of gravitational systems is traditionally based on Newton's physics. At galactic scale, the Newtonian gravity imposes a special matter to exist: the dark matter. Nowadays, this matter is invisible. If this model ($\Lambda$ Cold Dark Matter) is successful at large scales, some difficulties appear at galactic scale. In my thesis, I use numerical simulations to explore an alternative to the Newtonian gravity: MOND (Modified Newtonian Dynamics), where the modification of the gravity follows an acceleration scaling law, without invoking any dark matter. This gravity is non linear and needs specific methods than those which are used for the Newtonian gravity with dark matter. I wrote a code able to solve the two gravity models, to compare each other. Then, I tested the evolution of isolated galaxies and interacting galaxies. These simulations take into account the dissipation of cold gas and the star formation. They have shown that galaxies are less stable in modified gravity than in Newtonian gravity, the bars form faster in MOND. These simulations have revealed some important differences concerning the angular momuntum exchange during the bar formation and dynamical friction effects which slow down the bars. A simulation of interacting galaxies like the Antennae is feasible for the first time in modified gravity. Again, the dynamical friction effects play a major role about the fusion time-scale, longer in modified gravity. New horizons toward cosmological simulations are opened and could valorized a model by studing hierarchical structure formation starting from primordial fluctuation. Moreover, modelisation of galaxy kinematic (dwarves, spirales, elliptics) is deepened. In particular, the analysis of rotation curves shows that spiral galaxies could contain a molecular gas component two times heavier than the atomic component.
La dynamique des systèmes gravitationnels s'appuie traditionnellement sur la physique de Newton. Appliquée à l'échelle des galaxies, la gravitation newtonienne impose l'existence d'une certaine matière, actuellement invisible : la matière noire. Si ce modèle ($\Lambda$ Cold Dark Matter) rencontre des succès à grande échelle, des difficultés apparaissent à l'échelle des galaxies. Dans ma thèse, j'explore par des simulations numériques une alternative de la gravitation newtonienne : MOND (Modified Newtonian Dynamics), où la loi newtonienne de la gravité est modifiée selon une échelle d'accélération, sans l'intervention de la matière noire.
Cette expression de la gravitation est non-linéaire et impose une méthode différente de celle utilisée dans les systèmes avec matière noire. J'ai écrit un code permettant la résolution des deux modèles de gravité, ce qui a permis de les comparer. J'ai testé ainsi l'évolution de galaxies spirales isolées puis en interaction. Ces simulations modélisent aussi la dissipation du gaz froid et la formation d'étoiles. Celles-ci ont montré que les galaxies sont moins stables en gravitation modifiée qu'en gravitation newtonienne, elles forment des barres plus rapidement. Ces simulations ont aussi révélé des différences importantes sur les transferts de moment angulaire lors des formations des barres et sur les effets de friction dynamique qui ralentissent les barres. Ce travail a permis de réaliser, pour la première fois en gravité modifiée, des simulations de galaxies en interaction du type des Antennes. Là encore, les effets de friction dynamique ont un rôle majeur sur la durée du temps de fusion, plus long en gravitation modifiée. Ceci ouvre des horizons vers des simulations cosmologiques qui pourraient valoriser un modèle en analysant la formation hiérarchique des structures à partir des fluctuations de densité primordiales. Par ailleurs, la modélisation de la cinématique des galaxies (naines, spirales et elliptiques) est aussi approfondie. En particulier, l'analyse des courbes de rotation des galaxies spirales montre que celles-ci peuvent contenir un composant de gaz moléculaire froid deux fois plus massif que le composant atomique.
Cette expression de la gravitation est non-linéaire et impose une méthode différente de celle utilisée dans les systèmes avec matière noire. J'ai écrit un code permettant la résolution des deux modèles de gravité, ce qui a permis de les comparer. J'ai testé ainsi l'évolution de galaxies spirales isolées puis en interaction. Ces simulations modélisent aussi la dissipation du gaz froid et la formation d'étoiles. Celles-ci ont montré que les galaxies sont moins stables en gravitation modifiée qu'en gravitation newtonienne, elles forment des barres plus rapidement. Ces simulations ont aussi révélé des différences importantes sur les transferts de moment angulaire lors des formations des barres et sur les effets de friction dynamique qui ralentissent les barres. Ce travail a permis de réaliser, pour la première fois en gravité modifiée, des simulations de galaxies en interaction du type des Antennes. Là encore, les effets de friction dynamique ont un rôle majeur sur la durée du temps de fusion, plus long en gravitation modifiée. Ceci ouvre des horizons vers des simulations cosmologiques qui pourraient valoriser un modèle en analysant la formation hiérarchique des structures à partir des fluctuations de densité primordiales. Par ailleurs, la modélisation de la cinématique des galaxies (naines, spirales et elliptiques) est aussi approfondie. En particulier, l'analyse des courbes de rotation des galaxies spirales montre que celles-ci peuvent contenir un composant de gaz moléculaire froid deux fois plus massif que le composant atomique.
Domaines
Astrophysique [astro-ph]
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