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AbstractAbstract
[en] The strikingly anisotropic large-scale distribution of matter is made of an extended network of voids delimited by sheets, with filaments at their intersection which together form the cosmic web. Matter that will later form dark matter halos and their galaxies flows towards compact nodes at filaments' intersections and in the process, retains the imprint of the cosmic web. In this thesis, I predict the mass, accretion rate, and formation time of dark matter halos near proto-filaments (identified as saddle points of the potential) using a conditional version of the excursion set theory in its so-called up-crossing approximation. The (filament-type) saddle points provides a local frame in which to quantify the induced physical and morphological evolution of statistical properties of galaxies on large scales. The model predicts that at fixed mass, mass accretion rate and formation time vary with orientation and distance from the saddle, demonstrating that assembly bias is indeed susceptible to the tides imposed by the cosmic web. Starved, early-forming halos of smaller mass lie preferentially along the main axis of filaments, while more massive and younger halos are found closer to the nodes. Distinct gradients for distinct quantities such as typical mass and accretion rate occur because the saddle condition is anisotropic, and because the statistics of these observables depend on both the means and their covariances. The signature of this model corresponds at low redshift to an excess of reddened galaxies at fixed mass along preferred directions, as recently reported in spectroscopic (GAMA) and photometric (COSMOS) surveys and in hydrodynamic simulations (Horizon-AGN). I also compute the rate of merger events in the multi-scale initial conditions to forecast special events driving the anisotropic assembly of dark matter halos and understand their impact on galaxy formation. Beyond halo mergers, I consider all sets of mergers, including wall and filament mergers, as they impact the geometry of galactic infall. Their one- and two-points statistics are computed as a function of cosmic time. I establish the relation between merger rates and connectivity, which is then used to assess the impact the large scale structures on assembly bias. The anisotropy of the cosmic web, as encoded in this theory, is a significant ingredient to describe jointly the physics and dynamics of galaxies in their environment, e.g. in the context of intrinsic alignments or morphological diversity. In order to explore the impact of cosmic infall on smaller scales I implemented a novel tracer particles algorithm in the Eulerian adaptive mesh refinement code Ramses. The tracer particles are based on a Monte Carlo approach and keep tracks of where fluid elements originate, so as to follow their Lagrangian trajectories and re-processing history. I show that they reproduce the gas distribution very accurately and I extend them to also trace the stars and black holes through the full cycle of baryons. These tracer particles are ideal to study complex astrophysical systems where both the efficiency of shock-capturing Godunov schemes and a Lagrangian follow-up of the fluid are required simultaneously, in particular in cold flows. Thanks to this accurate tracer particle algorithm, the acquisition and loss of angular momentum of both cold and hot accretion flows onto galaxies at high redshift can be studied reliably. I find that the amplitude and orientation of the specific angular momentum of the cold gas is preserved down to the inner halo where the angular momentum contributes to the spin-up of galaxies, while for the hot gas it is lost at larger radii. Pressure torques, stronger in magnitude than gravitational torques are, however, spatially incoherent, which leads them to have no significant impact on the redistribution of angular momentum of the accretion flows. Gravitational torques, which dominate globally, are the main driver of the loss of angular momentum of the accretion flows in those halos, with dark matter gravitational torques dominating in the outer halo and stellar gravitational torques dominating in the disk. (author)
[fr]
a grande echelle, il est frappant de voir que la distribution anisotrope de la matiere forme un large reseau de vides delimites par des murs qui, avec les filaments presents a leurs intersections, tissent la toile cosmique. La matiere qui doit former plus tard les halos de matiere noire et leurs galaxies afflue vers les noeuds compacts se situant a l'intersection des filaments et garde dans ce processus une empreinte de la toile cosmique. Dans cette these, je developpe une extension contrainte de la theorie de l'excursion dans son approximation dite 'du franchissement vers le haut' pour predire la masse, le taux d'accretion et le temps de formation des halos de matiere noire au voisinage des proto-filaments (qui sont identifies comme des points-selles du potentiel). Les points-selles sont utilises comme un referentiel local dans lequel l'evolution des proprietes physiques et morphologiques des galaxies est quantifiee aux grandes echelles. A masse fixee, le modele predit que le taux d'accretion et le temps de formation varient avec l'orientation et la distance au point-selle, confirmant que le biais d'assemblage est sensible aux forces de marees de la toile cosmique. Les halos peu massifs, s'etant formes tot et 'affames' sont regroupes le long de l'axe principal des filaments, tandis que les halos plus massifs, plus jeunes sont repartis autour des noeuds. Les differents gradients observes pour differentes quantites, tels que la masse typique et le taux d'accretion, ont pour origine l'anisotropie du point-selle et leur dependance distincte aux moyennes et aux variances du champ. Pour les faibles decalages vers le rouge, ce modele predit qu'a masse fixe il y a un exces de galaxies rouges dans des directions preferentielles, comme l'ont montre des releves spectroscopiques (GAMA) et photometriques (COSMOS), mais aussi les simulations hydrodynamiques (Horizon-AGN). J'ai egalement calcule les taux de fusions par analyse multi-echelle des conditions initiales pour predire l'assemblage anisotrope des halos et comprendre son impact sur la formation des galaxie. Outre les fusions de halos, j'ai aussi pris en compte les fusions de murs et de filaments qui ont un effet sur l'accretion galactique et j'ai calcule leurs statistiques a un et deux points en fonction du temps cosmique. J'ai etabli le lien entre les taux de fusion et la connectivite. J'ai ensuite exploite ce lien pour estimer l'effet des structures a grande echelle sur le biais d'assemblage. Cette theorie decrit l'anisotropie de la toile cosmique, qui est un element important pour decrire conjointement l'evolution de la physique et de la dynamique des galaxies dans leur environnement, en particulier les alignements intrinseques ou les diversites morphologiques. Afin d'etudier l'accretion cosmique a de plus faibles echelles, j'ai implemente une nouvelle methode de particules traceuses dans le code a raffinement de grille adaptatif Ramses. Cette methode est basee sur un echantillonnage de Monte-Carlo et est capable de reconstruire la trajectoire lagrangienne du gaz et son retraitement. Je demontre que la distribution spatiale des particules traceuses reproduit precisement celle du gaz, et je propose une extension capable de suivre tout le cycle des baryons dans leurs echanges avec les etoiles et les trous noirs. Cette approche est particulierement adaptee aux problemes astrophysiques qui requierent simultanement d'avoir une resolution efficace des chocs avec un solveur de Godounov et de suivre l'histoire lagrangienne des baryons. Je l'utilise ensuite dans plusieurs simulations zoomees pour etudier l'acquisition du moment angulaire par les galaxies via leur accretion bi-modale pour les hauts decalages vers le rouge. J'y observe que l'amplitude et l'orientation du moment angulaire du gaz froid sont conservees jusque dans le halo interne ou le moment angulaire contribue a l'augmentation de la rotation des galaxies. Les couples de pressions sont plus importants en amplitude mais, de par leur turbulence, ils sont incoherents et sont domines globalement par les couples gravitationnels. Les couples de la matiere noire dominent dans le halo externe, ceux des etoiles dominent dans le disque. (auteur)Original Title
L'impact des grandes structures de l'Univers sur la formation des halos de matiere noire et des galaxies
Primary Subject
Source
26 Sep 2019; 222 p; [300 refs.]; Available from the INIS Liaison Officer for France, see the INIS website for current contact and E-mail addresses; These de doctorat de l'Universite Sorbonne Universite, Specialite: Astrophysique
Record Type
Miscellaneous
Literature Type
Thesis/Dissertation
Report Number
Country of publication
ACCRETION DISKS, ALGORITHMS, ANGULAR MOMENTUM, ANISOTROPY, BARYONS, BLACK HOLES, COMPUTERIZED SIMULATION, CORRELATION FUNCTIONS, GALAXY CLUSTERS, GAUSSIAN PROCESSES, HYDRODYNAMICS, INFLATIONARY UNIVERSE, LAGRANGIAN FUNCTION, MONTE CARLO METHOD, NONLUMINOUS MATTER, RED SHIFT, SPATIAL DISTRIBUTION, TORQUE
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