Modèle d`évolution de galaxies pour simulations cosmologiques à

Modèle d’évolution de galaxies pour simulations
cosmologiques à grande échelle
Thèse
Benoit Côté
Doctorat en physique
Philosophiæ doctor (Ph.D.)
Québec, Canada
© Benoit Côté, 2015

Résumé
Nous présentons un modèle semi-analytique (MSA) conçu pour être utilisé dans une simulation
hydrodynamique à grande échelle comme traitement de sous-grille afin de générer l’évolution
des galaxies dans un contexte cosmologique. Le but ultime de ce projet est d’étudier l’histoire
de l’enrichissement chimique du milieu intergalactique (MIG) ainsi que les interactions entre les
galaxies et leur environnement. Le MSA inclut tous les ingrédients nécessaires pour reproduire
l’évolution des galaxies de faible masse et de masse intermédiaire. Cela comprend l’accrétion du
halo galactique et du MIG, le refroidissement radiatif, la formation stellaire, l’enrichissement
chimique et la production de vents galactiques propulsés par l’énergie mécanique et la radiation
des étoiles massives. La physique des bulles interstellaires est appliquée à chaque population
d’étoiles qui se forme dans le modèle afin de relier l’activité stellaire à la production des vents
galactiques propulsés par l’énergie mécanique. Nous utilisons des modèles stellaires à jour
pour générer l’évolution de chacune des populations d’étoiles en fonction de leur masse, de
leur métallicité et de leur âge. Cela permet d’inclure, dans le processus d’enrichissement, les
vents stellaires des étoiles massives, les supernovae de Type II, Ib et Ic, les hypernovae, les
vents stellaires des étoiles de faible masse et de masse intermédiaire ainsi que les supernovae
de Type Ia. Avec ces ingrédients, notre modèle peut reproduire les abondances de plusieurs
éléments observées dans les étoiles du voisinage solaire. De manière plus générale, notre MSA
peut reproduire la relation actuelle observée entre la masse stellaire des galaxies et la masse
de leur halo de matière sombre. Il peut aussi reproduire la métallicité, la quantité d’hydrogène
et le taux de formation stellaire spécifique observés dans les galaxies de l’Univers local. Notre
modèle est également consistant avec les observations suggérant que les galaxies de faible masse
sont davantage affectées par la rétroaction stellaire que les galaxies plus massives. De plus,
le modèle peut reproduire les différents comportements, soit oscillatoire ou stable, observés
dans l’évolution du taux de formation stellaire des galaxies. Tous ces résultats démontrent que
notre MSA est suffisamment qualifié pour traiter l’évolution des galaxies à l’intérieur d’une
simulation cosmologique.
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Abstract
We present a semi-analytical model (SAM) designed to be used in a large-scale hydrodynam-
ical simulation as a sub-grid treatment in order to generate the evolution of galaxies in a
cosmological context. The ultimate goal of this project is to study the chemical enrichment
history of the intergalactic medium (IGM) and the interactions between galaxies and their
surrounding. Presently, the SAM takes into account all the ingredients needed to compute the
evolution of low- and intermediate-mass galaxies. This includes the accretion of the galactic
halo and the IGM, radiative cooling, star formation, chemical enrichment, and the production
of galactic outflows driven by the mechanical energy and the radiation of massive stars. The
physics of interstellar bubbles is applied to every stellar population which forms in the model
in order to link the stellar activity to the production of outflows driven by mechanical energy.
We use up-to-date stellar models to generate the evolution of each stellar population as a func-
tion of their mass, metallicity, and age. This enables us to include, in the enrichment process,
the stellar winds from massive stars, Type II, Ib, and Ic supernovae, hypernovae, the stellar
winds from low- and intermediate-mass stars in the asymptotic giant branch, and Type Ia su-
pernovae. With these ingredients, our model can reproduce the abundances of several elements
observed in the stars located in the solar neighborhood. More generally, our SAM reproduces
the current stellar-to-dark-halo mass relation observed in galaxies. It can also reproduce the
metallicity, the hydrogen mass fraction, and the specific star formation rate observed in galax-
ies as a function of their stellar mass. Our model is also consistent with observations which
suggest that low-mass galaxies are more affected by stellar feedback than higher-mass galax-
ies. Moreover, the model can reproduce the periodic and the stable behaviors observed in the
star formation rate of galaxies. All these results show that our SAM is sufficiently qualified
to treat the evolution of low- and intermediate-mass galaxies inside a large-scale cosmological
simulation.
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