Étude de l’assemblage dynamique des grands halos de matière de l’Univers : observation des turbulences du milieu intra-amas

Soutenance de thèse de Simon Dupourqué (Salle de Conférence, IRAP Roche)

Résumé de la thèse

La formation des structures de l’Univers culmine avec les amas de galaxies. Ce sont des objets dynamiques, au sens où ils sont sujets à de nombreux processus physiques perturbant le gaz qu’ils contiennent. Les fusions entre amas, l’accrétion de matière depuis la toile cosmique ou bien encore la rétroaction du trou noir hébergé par leurs galaxies centrales vont injecter de grandes quantités d’énergie cinétique dans le milieu intra-amas, qui permettent le développement de cascades turbulentes et contribuent ainsi au chauffage du gaz. L’observation de turbulences dans le milieu intra-amas offre une meilleure compréhension des processus non-gravitationnels à l’œuvre dans le gaz et de l’assemblage dynamique de ces structures. Dans cette thèse, je propose une nouvelle méthodologie permettant de quantifier ces processus turbulents à l’aide d’observations en rayon X, et j’applique cette méthodologie sur deux échantillons d’amas afin d’obtenir de nouvelles contraintes sur les mouvements du gaz.
Une signature observationnelle des turbulences du milieu intra-amas se trouve dans les perturbations thermodynamiques qu’elles induisent. En particulier, les variations de densité causées par les mouvements chaotiques du gaz sont identifiables au travers des fluctuations de brillance de surface. Je développe une nouvelle méthodologie pour étudier les turbulences via cette observable indirecte. À l’inverse des études précédentes, je propose de contraindre les propriétés des fluctuations par une modélisation directe. Je l’inscris dans une approche bayésienne en définissant une vraisemblance approximée par apprentissage automatique, basée sur des simulations de champs aléatoires. Cette approche permet d’inclure pour la première fois la variance d’échantillonnage dans le budget d’erreur, qui est dans les faits la première source d’incertitude sur les paramètres des processus turbulents.
La turbulence étant un processus universel, cette approche prend son sens lorsque appliquée à un échantillon d’amas afin de réduire la variance d’échantillonnage, en considérant chaque amas comme une réalisation individuelle de ce processus. Je présente les résultats obtenus par analyse de l’échantillon X-COP composé de douze amas proches et massifs. La taille angulaire de ces amas m’a permis de contraindre les propriétés des fluctuations et des turbulences dépendamment à leur distance au centre, montrant ainsi les transitions entre les processus dynamiques dans le gaz intra-amas des régions centrales ($r<0.15~R_{500}$) aux régions périphériques ($r>0.5~R_{500}$). Finalement, j’applique ma méthode à l’échantillon CHEX-MATE, pour conduire une étude statistique sur une large population d’amas. En divisant les cent dix-huit amas en sous-échantillons, j’ai pu comparer les propriétés des turbulences aux propriétés propres des amas, comme leur masse, l’époque à laquelle on les observe ainsi que leur état dynamique. Finalement, je présente une discussion sur les limites de cette approche ainsi que les perspectives futures pour l’étude des mouvements du gaz intra-amas.

Composition du jury de thèse

• Rémi ADAM (Chargé de Recherche, Rapporteur)
• Juan MACÍAS-PÉREZ (Directeur de Recherche, Rapporteur)
• Raphaël GAVAZZI (Chargé de Recherche, Examinateur)
• Guilaine LAGACHE (Astronome, Examinatrice)
• Geneviève SOUCAIL (Astronome, Examinatrice)
• Étienne POINTECOUTEAU (Directeur de Recherche, Directeur de thèse)
• Nicolas CLERC (Chargé de Recherche, Co-directeur de thèse)