Dynamics of the Tidal Fields and Formation of Star Clusters in Galaxy Mergers
Résumé
In interacting galaxies, strong tidal forces disturb the global morphology of the progenitors and give birth to the long stellar, gaseous and dusty tails often observed. In addition to this destructive effect, tidal forces can morph into a transient, protective setting called compressive mode. Such modes then shelter the matter in their midst by increasing its gravitational binding energy. This thesis focuses on the study of this poorly known regime by quantifying its properties thanks to numerical and analytical tools applied to a spectacular merging system of two galaxies, commonly known as the Antennae galaxies. N-body simulations of this pair yield compressive modes in the regions where observations reveal a burst of star formation. Furthermore, characteristic time- and energy scales of these modes match well those of self-gravitating substructures such as star clusters and tidal dwarf galaxies. Comparisons with star formation rates derived from hydrodynamical runs confirm the correlation between the location of compressive modes and sites where star formation is likely to show enhanced activity. Altogether, these results suggest that the compressive modes of tidal fields plays an important role in the formation and evolution of young clusters, at least in a statistical sense, over a lapse of ~10 million years. Preliminary results from simulations of stellar associations highlight the importance of embedding the clusters in the evolving background galaxies to account precisely for their morphology and internal evolution. These conclusions have been extended to numerous configurations of interacting galaxies and remain robust to a variation of the main parameters that characterize a merger. We report however a clear anti-correlation between the importance of the compressive mode and the distance between the galaxies. Further studies including hydrodynamics are now underway and will help pin down the exact role of the compressive mode on the formation and later survival of star clusters. Early comparisons with such computations suggest that compressive modes act as catalysts or triggers of star formation.
Dans les galaxies en interaction, de colossales forces de marée perturbent la morphologie des progéniteurs pour engendrer les longs bras d'étoiles, gaz et poussières que l'on observe parfois. En plus de leur effet destructeur, les forces de marée peuvent, dans certain cas, se placer dans une configuration protectrice appelée mode compressif. De tels modes protègent alors la matière en leur sein, en augmentant son énergie de liaison. Cette thèse se concentre sur l'étude de ce régime peu connu en quantifiant ses propriétés grâce à des outils numériques et analytiques appliqués à un spectaculaire système de galaxies en fusion, communément appelé les Antennes. Des simulations N-corps de cette paire de galaxies montrent la présence de modes compressifs dans les régions où les observations révèlent un sursaut de formation stellaire. De plus, les temps et énergies caractéristiques de ces modes correspondent à ceux de la formation de sous-structures autogravitantes telles que des amas stellaires et des naines de marée. Des comparaisons avec les taux de formation stellaire dérivés de simulations hydrodynamiques confirment la corrélation entre les positions des modes compressifs et les sites où la formation des étoiles est certainement amplifiée. Mis bout-à-bout, ces résultats suggèrent que les modes compressifs des champs de marée jouent un role important dans la formation et l'évolution des jeunes amas, au moins d'un point de vue statistique, sur une échelle de temps de l'ordre de dix millions d'années. Des résultats préliminaires de simulations d'associations stellaires soulignent l'importance de plonger les amas dans leur environnement galactique en évolution, pour tenir compte précisément de leur morphologie et évolution interne. Ces conclusions ont été étendues à de nombreuses configurations d'interaction et restent robustes aux variations des principaux paramètres caractérisant les paires de galaxies. Nous notons cependant une nette anti-corrélation entre l'importance du mode compressif et la distance entre ces galaxies. De nouvelles études incluant les aspects hydrodynamiques sont maintenant en cours et aideront à préciser le rôle exact du mode compressif dans la formation et la survie des amas d'étoiles. Les premières comparaisons avec de telles simulations suggèrent que les modes compressifs agissent en tant que catalyseurs ou amorces de la formation stellaire.