L’origine cosmique de la séquence de Hubble – spin(e)

Ces dernières années, nous avons développé une série d’algorithmes novateurs s’appuyant sur les progrès récents en topologie et en géométrie numérique, qui permettent de suivre la trace des filaments jusqu’au cœur des galaxies. Le squelette persistant peut maintenant être appliqué à de grands catalogues de sources discrètes bruitées tels que le SDSS, VIPERS, ou aux futur relevés comme DESI. Parallèlement nous avons développé la théorie correspondante. L’association des sondages observationnels, de simulations et outils d’extraction de pointe devrait donc nous permettre de contraindre statistiquement l’environnement anisotrope des galaxies simulées et observées (géométrie, connectivité et dynamique d’accrétion) dans le but d’expliquer la séquence de Hubble.
Nous avons par ailleurs récemment proposé un nouveau paradigme pour l’acquisition du moment angulaire des disques via les flux filamentaires. Comparé au paradigme de formation standard, nos prédictions suggèrent une relation plus étroite entre la géométrie 3D et la dynamique de la toile cosmique ainsi que les propriétés des galaxies qui s’y trouvent piégées. L’environnement gravitationnel asymétrique éjecte du gaz en provenance des vides locaux vers les filaments mitoyens, jusqu’à ce que les courants froids soient absorbés par la galaxie centrale, advectant leur moment angulaire fraîchement acquis. La morphologie de la galaxie semble alors déterminée par la distribution résultante nette de ce moment : l’évolution de la séquence de Hubble dépend donc de la géométrie de la toile cosmique. Réciproquement, la distribution des propriétés galactiques mesurées relativement aux propriétés locales de la toile cosmique devrait refléter ce processus.

L’effet de la toile cosmique sur la formation des galaxies est devenu un domaine de recherche extrêmement actif ces dernières années sur le plan international. Le nombre de conférences internationales et de publications sur ce sujet l’illustrent parfaitement. Le financement de l’ANR nous a été très utile pour maintenir notre leadership sur ce sujet. Il est maintenant acquis à tous les architectes de la discipline que la morphologie et la forme des galaxies est en partie le fait de l’environnement anisotrope, qui est qualifié optimalement via la toile cosmique. Son importance est amplifiée par le fait que le gaz suit étroitement la toile, qui trace au mieux l’anisotropie à l’origine des couples qui mettent en rotation les galaxies. Ce résultat fait maintenant l’objet d’un consensus tant du point de vue de la théorie, des simulations numériques et des observations. Nous avons de fait présenté une théorie nouvelle ab initio pour la connectivité galactique et celle de l’acquisition du spin galactique, ainsi que sa contrepartie pour les taux d'accrétion dans le cadre de la théorie de l’excursion, et enfin une nouvelle implémentation de la théorie de l’évolution séculaire induite ou intrinsèque dans les disques galactiques, les noyaux nucléaires et les amas. Nous avons été satisfait de voir que la recherche financée sur projet reste compatible avec ce type d’investissement et de percées.

En bref nous allons continuer à relier la théorie aux observations. Ce faisant, nous allons étudier les propriétés de notre simulation phare, et exploiter notre zoom, New-horizon, qui résoud l’échelle des disques de nos galaxies virtuelles jusqu’à redshift zéro (cette simulation sera terminé avec nos collaborateurs coréens). Nous allons développer une formulation variationnelle de la théorie de la persistence, et étudier statistiquement la distribution du moment angulaire dans les disques. A terme, nous souhaitons i) relier nos travaux sur l’évolution séculaire de la structure orbitale (développe dans le cadre d’une dynamique Hamiltonienne) à leur formulation anisotrope cosmique ii) modéliser de manière cohérente les alignements intrinsèques (en prenant en compte les couleurs galactiques) pour l’astigmatisme cosmique, iii) identifier les signatures dynamiques des courants froids iv) étudier si l’effet cumulatif de la cohérence des écoulements grandes échelles domine sur l’effet stochastique de la rétroaction (l’accrétion c’est le climat, l’éjection c’est la météo?) v) résoudre l’échelle de hauteur des disques numériquement et observationnellement afin de modéliser de manière auto-cohérente la cinématique des flots dans les filaments vi) comprendre le processus de formation des disques minces dans un contexte ouvert avec une description connue des marées et de l'accrétion anisotrope vii) modéliser l’évolution séculaire des galaxies et amas et de noyaux galactiques et quantifier la connexion bulbe-NAG-trou noir et son impact sur la stabilité des disques et leur état de turbulence.

Notre ANR, cosmicorigin.org est certainement un succès indiscutable, avec près d’une centaine d’articles scientifiques publiés et déjà plus de 1200 citations. La thématique de recherche de l’Origine de la séquence de Hubble via l’impact de la toile cosmique fait maintenant l’objet de nombreux travaux (le mot clé ‘toile cosmique’ rassemble maintenant plus de 50 000 citations, le nom du porteur arrivant en 3ème position, avec plus de 2000 d’entres elles). Notre simulation phare, horizon-simulation.org (8000 vues/mois), a défini l’état de l’art dans le domaine, et est déjà citée 1400 fois. De fait, nos travaux originaux sur l’évolution cosmique des disques galactiques et de leurs trous noirs, et sur l’impact de la toile cosmique sur les propriétés physiques et dynamiques des galaxies ont fortement contribué à remodeler la discipline: le changement de paradigme est maintenant une réalité. La prise en compte des alignements sur l’astigmatisme cosmique fait par exemple l’objet de Work-Packages spécifiques pour les missions EUCLID et LSST. Un des défis posés par cette ANR était de connecter les observations à la théorie: cet objectif a été atteint sur tous les relevés disponibles à la collaboration. Une théorie complète pour l’alignement des spins et l'excursion conditionnelle dans le référentiel des filaments a été formulée. Nos étudiants formés pendant l’ANR (une dizaine) ont été sélectionnés dans les instituts les plus prestigieux, et trois post-doctorants du projet ont été recrutés sur des postes permanents resp. au CNRS et à l’Université. Ce projet fédère aujourd’hui une quarantaine de personnes, principalement à Paris, Marseille, Oxford, et Séoul (Yonsei & KIAS). L’ANR joue un rôle déterminant via la promotion de ces synergies, comme attracteur pour les étudiants et postdocs, et pour l’obtention de financements complémentaires (CSA, DIM-ACAV...) pour notre meso-machine (passage de 250 à 800 coeurs et de 1/2 PB à 3PB de stockage).

La morphologie des galaxies dans leur environnement est maintenant observable jusqu’à z=2 voire au delà. Contrairement aux galaxies proches, les galaxies à haut z apparaissent très différentes de la séquence de Hubble actuelle. Grâce à un paradigme cosmologique bien établi de formation des structures, les conditions aux limites pour la formation des galaxies sont bien définies, et les simulations actuelles, fondées sur ce paradigme, ont aussi établi une connexion étroite entre la géométrie des structures à grande échelle de la matière et l’évolution des propriétés physiques des galaxies.
Certaines questions restent néanmoins sans réponse satisfaisante. Quels sont les acteurs principaux responsables de la morphologie des galaxies, de l’apparition de la séquence de Hubble, et de son évolution? Quel rôle l’acquisition du moment angulaire joue-t-il? Peut-on comprendre le «cycle des baryons» en étudiant l’évolution anisotrope de l’IGM et des galaxies simultanément? L’existence de ces courants froids est un sujet de débat théorique que peu d’observations cautionnent. Notre projet vise à combler cette lacune: théoriciens et observateurs travailleront ensemble pour essayer de démontrer leur existence et de comprendre en détail leur impact sur la structure interne des galaxies.
Ces dernières années, nous avons développé une série d’algorithmes novateurs s’appuyant sur les progrès récents en topologie et en géométrie numérique, qui permettent de suivre la trace des filaments jusqu’au cœur des galaxies. Le squelette persistant peut maintenant être appliqué à de grands catalogues de sources discrètes bruitées tels que le SDSS, VIPERS, ou aux futur relevés comme e-BOSS. Parallèlement nous avons développé la théorie correspondante. L’association des sondages observationnels, de simulations et outils d’extraction de pointe devrait donc nous permettre de contraindre statistiquement l’environnement anisotrope des galaxies simulées et observées (géométrie, connectivité et dynamique d’accrétion) dans le but d’expliquer la séquence de Hubble.
Nous avons par ailleurs récemment proposé un nouveau paradigme pour l’acquisition du moment angulaire des disques via les flux filamentaires. Comparé au paradigme de formation standard, nos prédictions suggèrent une relation plus étroite entre la géométrie 3D et la dynamique de la toile cosmique ainsi que les propriétés des galaxies qui s’y trouvent piégées. L’environnement gravitationnel asymétrique éjecte du gaz en provenance des vides locaux vers les filaments mitoyens, jusqu’à ce que les courants froids soient absorbés par la galaxie centrale, advectant leur moment angulaire fraîchement acquis. La morphologie de la galaxie semble alors déterminée par la distribution résultante nette de ce moment : l’évolution de la séquence de Hubble dépend donc de la géométrie de la toile cosmique. Réciproquement, la distribution des propriétés galactiques mesurées relativement aux propriétés locales de la toile cosmique devrait refléter ce processus.
Notre but est donc d’explorer en détail l’impact de ces propositions sur la genèse de la séquence de Hubble. Pour cela, nous proposons d’automatiser l’extraction des squelettes et des paramètres morphologiques des galaxies des catalogues simulés et observés. Nous interprèterons l’évolution des galaxies dans le cadre de la structure anisotropique 3D complexe du réseau cosmique, et vérifierons que les flux filamentaires alimentent bien le moment angulaire des disques galactiques. Nous souhaitons également évaluer les rôles respectifs, en fonction du temps, du taux de fusions et des interactions galactiques, de l’évolution séculaire causée par les instabilités, de la rétroaction stellaire, des vents, de l’activités nucléaire et de la rétroaction des NAGs. Nous utiliserons pour cela des simulations cosmologiques de pointe, des à-prioris théoriques et des sondages réels pour démêler les effets relatifs de toutes ces influences, et comprendre l’origine de la séquence de Hubble.