The impact of baryonic physics on galaxy clusters in cosmological hydrodynamical simulations - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2021

The impact of baryonic physics on galaxy clusters in cosmological hydrodynamical simulations

L'impact de la physique baryonique sur les amas de galaxies dans les simulations cosmologiques hydrodynamiques

Résumé

Clusters of galaxies reside at a unique place in the Universe’s hierarchy: they are the most massive virialised structures and form the nodes of the cosmic web. Above scales of tens of megaparsecs, gravity drives the evolution of structures in our Universe and the abundance of clusters is heavily sensitive to the underlying cosmology. While below the megaparsec scale and in addition to gravity, the physics of baryons play an important role in making the physical modelling of clusters more complex. Indeed, following sequences of mergers and the accretion of smaller systems, the intra-cluster gas is heated by compressions and shocks and reaches temperatures high enough to emit X-ray radiation. Additionally, energetic feedback processes due to supernovae and active galactic nuclei in the cluster galaxies can inject substantial amounts of energy and relativistic particles into the intra-cluster medium. Galaxy clusters therefore represent a place where cosmology and astrophysics meet each other, making clusters key laboratories to study the physics of structure and galaxy formation. The power of galaxy clusters as cosmological probes is limited especially by our ability to accurately measure their mass. Well-calibrated scaling relations between observable properties and the total cluster masses are crucial ingredients for studies that aim to constrain cosmological parameters. It is therefore of great importance to understand both physical processes that give rise to these relations and understand any bias and scatter. Indeed, properties of the intra-cluster medium are affected by the cosmic assembly and astrophysical processes during cluster formation. Hydrodynamical codes coupled to N-body techniques are the most advanced tools to describe such complex processes as well as their impact on the assembly history of cosmic structures. In this context, we use cosmological magnetohydrodynamical simulations of massive galaxy clusters to study the impact of baryonic processes on both the intra-cluster gas observables and the galaxy properties. In this thesis, we first show the dependence of the magnetic seed field topology on the amplification of the cluster magnetic fields. Although magnetic fields are not dynamically relevant, their presence shapes the transport of particles in the intra-cluster plasma. To study this aspect, we examine the effect of the induced anisotropic thermal conduction on the thermodynamics of the intra-cluster gas. We jointly investigate different models of formation and evolution of supermassive black holes as well as feedback from active galactic nuclei. We present an overview of the achievements and shortcomings of our simulations in reproducing both the hot plasma in clusters as well as the stellar properties of cluster and field galaxies. Finally, we derive cluster scaling relations for our massive galaxy cluster sample. By demonstrating the relative impact of our different galaxy formation models, we show how astrophysical processes are expected to alter such relations used for cosmology.
Les amas de galaxies occupent une place particulière dans la hiérarchie de l’Univers : ils constituent les structures virialisées les plus massives de l’Univers et forment les nœuds de la toile cosmique. Au-delà de la dizaine de mégaparsec, la gravité gouverne l’évolution de ces structures et l’abondance des amas est extrêmement sensible à la cosmologie sous-jacente. Tandis qu’au deçà du mégaparsec, la physique baryonique s’ajoute aux effets gravitationnels, ce qui complexifie la modélisation physique des amas de galaxies. En effet, suite aux processus de coalescence entre amas de masse comparable et d’accrétions de systèmes de masse inférieure, le gaz intra-amas est chauffé par compression et chocs, et atteint des températures suffisamment élevées pour émettre des rayons X. De plus, les processus énergétiques liés à la rétroaction des supernovae et des noyaux actifs de galaxies, peuvent injecter des quantités substantielles d’énergie ainsi que des particules relativistes dans le milieu intra-amas. Les amas de galaxies représentent donc un lieu privilégié où la cosmologie et l’astrophysique se rencontrent, faisant des amas des laboratoires idéaux pour l’étude de la physique de formation des galaxies et des grandes structures. La force des amas de galaxies en tant que sondes cosmologiques est principalement limitée par notre capacité à mesurer avec précision leur masse. Une calibration précise des relations d’échelle, reliant les quantités observables et la masse totale des amas, sont des ingrédients cruciaux pour les études d’amas qui visent à contraindre les paramètres cosmologiques. Il est donc important de comprendre à la fois les processus physiques qui donnent lieu à ces relations ainsi que tout biais et dispersion. En effet pendant la formation des amas, les propriétés du milieu intra-amas sont affectées par l’assemblage cosmique et les processus astrophysiques. Les codes hydrodynamiques couplés aux algorithmes à N-corps sont les outils les plus avancés pour décrire la complexité de tel processus ainsi que leur impact sur l’histoire d’assemblage des structures cosmiques. Dans ce contexte, nous utilisons des simulations cosmologiques magnétohydrodynamiques d’amas de galaxies massifs, pour étudier l’impact des processus baryoniques à la fois sur les observables du gaz intra-amas et sur les propriétés des galaxies en son sein. Dans cette thèse, nous montrons tout d’abord la dépendance de la topologie du champ magnétique primordial sur l’amplification du champ magnétique intra-amas. Bien que les champs magnétiques ne soient pas une composante dominante dans la dynamique des amas, leur présence façonne le transport des particules dans le plasma intra-amas. Pour étudier cet aspect, nous examinons l’effet de la conduction thermique anisotrope sur la thermodynamique du gaz intra-amas. Nous étudions conjointement différents modèles de formation et d’évolution des trous noirs supermassifs ainsi que la rétroaction des noyaux galactiques actifs. Nous présentons une vue d’ensemble des succès et faiblesses de nos simulations, dans la reproduction des propriétés physiques du plasma intra-amas ainsi que les propriétés stellaires des galaxies à la fois de champ et au sein des amas. Enfin, nous dérivons les relations d’échelle pour les amas de galaxies massifs constituant notre échantillon. En démontrant l’impact relatif de nos différents modèles, nous montrons comment les processus astrophysiques peuvent modifier ces relations d’échelle essentielles pour la cosmologie.
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Dates et versions

tel-03562572 , version 1 (09-02-2022)

Identifiants

  • HAL Id : tel-03562572 , version 1

Citer

Alisson Pellissier. The impact of baryonic physics on galaxy clusters in cosmological hydrodynamical simulations. Astrophysics [astro-ph]. Université Côte d'Azur, 2021. English. ⟨NNT : 2021COAZ4074⟩. ⟨tel-03562572⟩
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