Evolution séculaire des galaxies – SEGAL

Dans l’Univers en expansion, une perturbation sur-dense qui dépasse un seuil critique s’effondre sur elle-même. Par relaxation violente, elle converge rapidement vers un état stationnaire, mélangé de phase et fortement symétrique. Cette perturbation convertit son gaz froid en étoiles et, en fonction de l’entropie rayonnée, produit une galaxie elliptique ou spirale, avec une structure orbitale partiellement gelée. La galaxie est alors bloquée dans un état quasi-stationnaire imposée par son champ gravitationnel moyen. Ce système auto-gravitant va néanmoins encore subir divers processus dynamiques liés à son environnement, à sa structure et « température » interne (c’est-à-dire selon qu’il est plutôt en équilibre centrifuge ou thermique). Au fil du temps et des stimuli, il va pouvoir remodeler sa structure orbitale vers des configurations plus probables. SEGAL a pour objectif de comprendre ce remaniement à long terme – son « évolution séculaire gravitationnelle », décrite par les théories cinétiques étendues. Celles-ci nous permettent d’évaluer les rôles respectifs de l’inné et de l’acquis dans l’établissement des propriétés dynamiques observées des galaxies, sur la base de processus stochastiques qui capturent toutes les sources de fluctuation. Ce formalisme place l’évolution interne des galaxies dans la cadre de la cosmologie.
La distinction entre perturbations internes et externes nous permet de démêler leur rôle respectif à l’origine de l’évolution séculaire, puisque nous quantifions les signatures de diffusion et les temps caractéristiques associés à chaque source de fluctuation. L’efficacité relative de la diffusion est sensible au bruit de grenaille engendré par les nuages moléculaires géants, les grumaux du halo, les barres centrales, etc mais aussi aux sources externes de fluctuations. Elle est également sensible au réservoir initial d’énergie libre du système, qui varie fortement entre les différentes composantes galactiques, et à la transformation des équilibres sous-jacents par accrétion. Une fois ces mécanismes statistiquement caractérisés et quantifiés, les implications à long terme peuvent être comparées aux arêtes de l’espace des phases trouvées par Gaia et aux orbites stellaires de Gravity.
En nous appuyant sur la théorie cinétique pour capturer les effets à long terme de l’auto-gravitation dans un environnement ouvert multi-échelle, i) nous quantifierons les effets environnementaux induits par les grandes échelles en utilisant des moyennes d’ensemble des simulations ; nous calculerons les spectres de puissance caractérisant les fluctuations d’origine externe à chaque échelle ; ii) nous résoudrons les équations cinétiques correspondantes, en quantifiant chaque temps caractéristique, tout en prenant en compte les différences de température et les dégénérescences spécifiques à chaque échelle ; nous identifierons les solutions asymptotiques génériques (halos à cœurs, disques exponentiels, cuspides, …) ; iii) nous reformulerons nos résultats sous forme d’observables, et proposerons de nouveaux diagnostics observationnels pour tester nos prédictions théoriques.

À terme, nous pourrons évaluer les rôles de l’inné et de l’acquis dans l’établissement des propriétés observées de populations de galaxies à petite et grande échelle, ce qui est hors de portée des techniques à N-corps classiques. Plus généralement, la gravité, avec sa riche phénoménologie, est un outil idéal pour nous aider à comprendre en détail les implications séculaires des modes collectifs, du bruit de grenaille et des résonances. Elle continuera à éclairer notre compréhension des mathématiques sous-jacentes, capturant des processus génériques tels que la production d’entropie, la diffusion anisotrope résonante, la transition de phase séculaire, etc… La théorie cinétique gravitationnelle continuera ainsi à stimuler des recherches passionnantes en physique théorique et au-delà.