Chers et chères collègues,
Après trois belles années à l’IAS, j’ai le grand plaisir de vous inviter à ma soutenance de thèse qui aura lieu Jeudi 02 Octobre à 14h en salle 123. Elle sera également retransmise en live sur YouTube: https://www.youtube.com/watch?v=2sMPxPITgws
J’ai mené ma thèse dans l’équipe Cosmologie sous la direction de Nabila Aghanim et Jenny Sorce, je présenterai mes travaux en anglais devant un jury composé de Laurent Verstraete, Chiara Ferrari, Eugene Churazov, Veronica Biffi, Ian McCarthy et Nicolas Clerc.
Pour conclure cet après-midi, vous êtes chaleureusement conviés à un pot dans le hall, ou dehors si le soleil est de la partie !
Au plaisir de vous y voir,
Théo Lebeau
Titre et résumé de la thèse:
Impact des processus physiques dans et autour des amas de galaxies sur l’estimation de leur frontière et de leur masse: étude de cas de la réplique numérique de l’amas de la Vierge
Les amas de galaxies sont les objets gravitationnellement liées les plus massifs de l’Univers, car ils sont l’aboutisssment de la formation hiérarchiques des grandes structures de l’Univers. Comme leur nom l’indique, ils sont constitués de galaxies, mais celles-ci ne représentent que quelques pour cent du budget de masse total. En réalité, ils sont principalement constitués de matière noire, n’interagissant que gravitationnellement, et également de gaz appelé milieu intra-amas. Sous l’action de la gravité, un profond puits de potentiel gravitationnel se forme à l’intérieur duquel les baryons sont chauffés, augmentant la pression thermique, et deviennent un plasma. En première approximation, les amas de galaxies peuvent être considérés comme des objets sphériques et isolés ayant atteint l’équilibre dynamique et thermique.
Cependant, les amas de galaxies se trouvant aux nœuds de la toile cosmique, ils accrètent continuellement de la matière provenant de leur environnement local, en particulier des filaments qui leur sont connectés, ce qui induit des chocs et du chauffage. De plus, les galaxies au sein des amas abritent des étoiles qui peuvent exploser en supernovae et des trous noirs supermassifs centraux qui peuvent émettre des rayonnements et des jets de matière, tous deux restituant de l’énergie au milieu environnant. Tous ces processus peuvent également induire de la turbulence, qui ajoute une pression non thermique, tout comme les champs magnétiques et les rayons cosmiques.
Ces processus physiques interconnectés et complexes qui se déroulent à différentes échelles dans et autour des amas de galaxies sont difficiles à étudier à partir d’observations. De plus, les approximations simplificatrices utilisées pour estimer la masse des amas de galaxies, par exemple l’équilibre hydrostatique ou la virialisation, ne peuvent pas rendre compte de toute la complexité du gaz à l’intérieur des amas, ce qui peut conduire à des estimations biaisées de leur masse à partir d’observations. Une meilleure compréhension de l’astrophysique des amas de galaxies est donc devenue essentielle pour estimer de manière plus fiable leur masse, ce qui est indispensable pour contraindre la cosmologie grâce à la distribution en masse et décalage spectral de leur population.
Le but de ma thèse de doctorat était d’explorer comment différents processus physiques influencent les propriétés du gaz du milieu intra-amas et, par conséquent, l’estimation des frontières et de la masse des amas de galaxies. J’ai mené mes études sur une simulation hydrodynamique contrainte spécifiquement pour reproduire l’amas de galaxies de la Vierge (Virgo), notre plus proche voisin, dans son environnement local.
J’ai d’abord analysé les propriétés thermodynamiques du milieu intra-amas et le mouvement du gaz à l’intérieur et autour de la réplique numérique de Virgo. J’ai montré que les processus d’accrétion et de rétroaction perturbent le milieu en générant des chocs, induisant une turbulence complexe initiée dans les filaments et entraînée vers le cœur de l’amas. De plus, j’ai montré que d’importants effets de projection dus aux filaments connectés à Virgo et aux structures voisines biaisent la reconstruction de ses propriétés à partir de quantités projetées similaires aux observations.
J’ai ensuite estimé deux propriétés générales de la réplique numérique de l’amas de la Vierge : son rayon et sa masse. Plus précisément, j’ai estimé le rayon du « splashback » dans différentes régions avec différents traceurs, montrant que ce rayon caractéristique sonde la dynamique d’accrétion des différents constituants d’un amas de galaxies dans différents régimes. Par conséquent, ce rayon doit être utilisé avec précaution pour définir la frontière d’un amas de galaxies. Enfin, j’ai estimé la masse hydrostatique, et le biais associé, démontrant que tous les processus précédemment étudiés contribuent en effet à l’absence de relaxation de Virgo, rendant l’estimation de sa masse hydrostatique peu fiable. J’ai également exploré des méthodes pour corriger l’estimation de la masse hydrostatique en tenant compte de la pression non thermique générée par le mouvement turbulent du gaz, ce qui a donné des résultats prometteurs pour de futurs calibrations de la masse des amas de galaxies.
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Dear colleagues,
After three wonderful years at the IAS, I have the great pleasure to invite you to my thesis defence, which will take place on Thursday, 2 October at 2 p.m. in room 123. It will also be broadcast live on YouTube: https://www.youtube.com/watch?v=2sMPxPITgws
I conducted my thesis in the Cosmology team under the supervision of Nabila Aghanim and Jenny Sorce. I will present my work in English in front of a jury composed of Laurent Verstraete, Chiara Ferrari, Eugene Churazov, Veronica Biffi, Ian McCarthy, and Nicolas Clerc.
To conclude the afternoon, you are warmly invited to a drinks reception in the hall, or outside if the weather permits!
Looking forward to seeing you there,
Théo Lebeau
Title and abstract of the thesis:
The impact of physical processes in and around galaxy clusters on the estimation of their boundaries and mass: case study of the Virgo cluster numerical replica
Galaxy clusters are the most massive gravitationally bound objects of the Universe as they are at the endpoint of the hierarchical structure formation. As their name indicates, they are made of galaxies but that only accounts for a few per cent of the total mass budget. In reality, they are mostly constituted of dark matter (DM), only interacting gravitationally, and also of gas called the Intracluster Medium (ICM). Under the action of gravity, a deep gravitational potential well forms within which baryons are heated, thus increasing the thermal pressure, and become a plasma. As a first approximation, galaxy clusters can be seen as spherical and isolated objects that have reached both dynamical and thermal equilibrium.
However, since galaxy clusters are at the nodes of the cosmic web, they continuously accrete matter from their local environment, particularly from filaments connected to them, inducing shocks and heating. Moreover, cluster member galaxies host stars that can explode in supernovae and central supermassive black holes that can emit radiation and jets of matter, both injecting energy back to their surrounding medium. All these processes can also induce turbulence, which adds non-thermal pressure, alike magnetic fields and cosmic rays.
These interconnected and complex physical processes at play at different scales in and around galaxy clusters are difficult to probe from observations. Moreover, the simplifying approximations assumed to estimate the mass of galaxy clusters, e.g. hydrostatic equilibrium or virialisation, cannot account for the full complexity of the gas inside clusters, potentially leading to biased estimations of their mass from observations. A deeper understanding of the astrophysics of galaxy clusters has thus become a key step to more robustly estimate their mass, which in turn is essential to constrain cosmology through the cluster number counts.
The aim of my PhD thesis was to explore how different physics processes impact the gas properties of the ICM and, as a consequence, the estimation of the boundaries and mass of galaxy clusters. I conducted my studies on one specific hydrodynamical simulation constrained so that it reproduces the Virgo galaxy cluster, our closest neighbour, in its local environment.
I first analysed the thermodynamic properties of the ICM and the gas motion in and around the Virgo numerical replica. I showed that accretion and feedback processes perturb the medium by generating shocks, inducing complex turbulence initiated in filaments and driven towards the core of the cluster. Moreover, I showed that important projection effects due to filaments connected to Virgo and nearby structures bias the reconstruction of its properties from projected quantities similar to observations.
I then estimated two general properties of the Virgo cluster replica: its radius and mass. More precisely, I estimated the splashback radius in different regions with different tracers, showing that this characteristic radius probes the accretion dynamics of the different constituents of a galaxy cluster in different regimes. Therefore, this radius should be used carefully to define the boundary of a galaxy cluster. Finally, I estimated the hydrostatic mass, and the associated bias, demonstrating that all the processes previously studied indeed contribute to the unrelaxedness of Virgo, making its hydrostatic mass estimation unreliable. I also explored methods for correcting the hydrostatic mass accounting for the non-thermal pressure generated by turbulent gas motion, showing promising results for future galaxy cluster mass calibration.