Hydrodynamique et radiations dans les galaxies de l'univers primordial. – ORAGE

Grâce aux instruments les plus récents, l'époque de la réionisation (EoR) est enfin observable. Cette époque s'étend, dans l'histoire de l'univers, de z=30 à z=6 (premier milliard d’années). Elle débute quand les premières sources de lumière issues de l'effondrement gravitationnel des fluctuations de densité primordiales commencent à ioniser le milieu intergalactique (MIG). Ces régions ionisées grandissent jusqu'à fusionner laissant, à z=6, quelques ilots de gaz neutre et dense au milieu de vastes étendues de gaz diffus et ionisé. Lors de ce processus, les propriétés à grande échelle de l'univers sont fortement dépendantes de la physique à petite échelle de la formation des galaxies, le rendant complexe et difficile à modéliser.

Modéliser l'EoR, cependant, devient crucial alors que des observations commencent et vont s'améliorer fortement en qualité et en quantité dans les années à venir. Citons par exemple la détermination de fonctions de luminosité des galaxies à z=8 grâce au WFC3 du HST qui fera de grand progrès grâce au JWST, ou encore les observations imminentes du signal 21 cm du MIG neutre avec LOFAR dont le programme EoR a commencé en 2013, et plus tard avec SKA. L'objectif principal du projet ORAGE est d'apporter une contribution majeure à notre compréhension de l'EoR à travers la simulation numérique, et d’améliorer le cadre théorique pour l'interprétation des observations à venir.

Le budget des photons dans les galaxies primordiales détermine la vitesse de progression globale de la reionisation. Quelle quantité de photons est produite, combien d’échappent vers le MIG, combien sont absorbés localement et tendent à photo-évaporer la galaxie en formation? Il y a peu d'observations et les résultats des simulations sont contradictoires. La première tâche d’ORAGE est de simuler ces processus de manière robuste. Pour cela, nous allons réaliser des simulations d’hydrodynamique radiative (RHD) cosmologique. Parmi la petite dizaine de codes RHD existant, deux sont développés par les membres d’ORAGE (LICORICE et Ramses-RT).

Nous allons mettre en place un projet de convergence de codes sous la forme d’une série de tests de complexité croissante dans un environnement cosmologique. Nous les réaliserons avec les deux codes et travaillerons sur les méthodes numériques jusqu’à convergence des résultats. Nous mettrons ensuite en place un site web pour proposer les tests en téléchargement aux autres développeurs et centraliser les résultats.

Ensuite, grâce à des simulations haute résolution dans des volumes adaptés, nous étudierons les propriétés des sources de la réionisation. Nous quantifierons le comportement statistique de la fraction d’échappement du continuum ionisant en fonction de facteurs environnementaux comme la masse du halo hôte. Obtenir la fonction fesc(M,…) sera un outil précieux pour interpréter les observations et servir de modèle sous-grille pour les simulations à grande échelle. Nous calculerons également l'émission du continuum stellaire et dans la raie Lyman-alpha d'un échantillon de galaxies à différents z. Ces prédictions, réalisées en utilisant les derniers modèles de population stellaire et le transfert radiatif dans la poussière et la raie Lyman-alpha, servirons à interpréter les observations de MUSE/VLT et JWST.


Nous utiliserons également nos simulations pour étudier la réionisation de la Voie Lactée (MW). Les satellites de la MW constituent des témoins archéologiques de la réionisation. Celle-ci peut également expliquer leur sous-abondance dans les observations. Alors que les simulations RHD sont indispensables pour étudier la formation des premières galaxies, elles n'ont jamais été utilisées pour étudier la réionisation de la MW: nous le ferons.

Finalement nous implémenterons les progrès réalisés dans notre compréhension de la physique à petite échelle (comme fesc(M)) dans des simulations à grande échelle destinées à produire des cubes de données simulées du signal à 21 cm en préparation à SKA.