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    Laboratoire d’Astrophysique de Marseille

    Galaxies, étoiles et cosmologie

    Toile Cosmique

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    Ces dix dernières années ont vu l’émergence d’une nouvelle forme de relevé des structures à grande échelle avec le milieu intergalactique en 3D, à l’aide de la forêt de Lyman-alpha (par le biais de SDSS-III et SDSS-IV). L’accent a été mis sur les mesures statistiques de l’énergie sombre précoce en utilisant les oscillations acoustiques baryoniques (BAO). Les mesures effectuées au cours des cinq prochaines années permettront d’approfondir les recherches sur les propriétés cosmologiques et astrophysiques de l’Univers à z>2. Outre l’étude statistique des structures par le biais des fonctions de corrélation, nous commencerons également à produire des cartes de la toile cosmique de haute fidélité en utilisant la tomographie du milieu intergalactique. De plus, la combinaison des propriétés du gaz intergalactique avec les échantillons spectroscopiques émergents de galaxies z>2 émettant des photons Lyman-alpha ou OIII (provenant de HETDEX, PFS, WEAVE et Euclid) transformera notre compréhension de la formation des galaxies. Nous étudierons l’émergence du pic du taux de formation d’étoiles en sondant les flux entrants qui l’alimentent (et les flux sortants qui le régulent) dans le milieu circumgalactique de plusieurs centaines de milliers de galaxies.
    Vers la fin de cette période de 5 ans, nous irons au-delà de l’utilisation des quasars comme source de lumière de fond pour un échantillonnage 3D encore plus important, et nous commencerons à utiliser les galaxies à rupture de Lyman en commençant par l’extension DESI, DESI-Ib.  Cela permettra à la fois un échantillonnage plus important de la structure pour la cosmologie (BAO, non-Gaussianité et formation des structures, masses des neutrinos) et la possibilité de sonder régulièrement le milieu circumgalactique des galaxies avec des signatures dans le spectre des  galaxies d’arrière plan.
    La cartographie de la toile cosmique en utilisant la tomographie du milieu intergalactique va continuer à prendre de l’ampleur au delà de ces 5 ans, avec DESI-II et MSE qui va observer des milliers de degrés carrés, permettant d’augmenter la résolution spatiale. Dans 10 ans, ELT-MOSAIC va fournir des cartes de la toile cosmique encore plus détaillées et permettre des avancées sur la physique de l’Univers à haut redshift.

    Cosmologie et Univers sombre

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    La cosmologie est l’étude de l’Univers dans son ensemble. Nous essayons de comprendre comment il est né, comment il grandit et comment il va éventuellement mourir. Au cours des dernières décennies, les cosmologistes ont élaboré le modèle standard de la cosmologie dit “Lambda CDM”, qui explique la grande majorité des observations à grande échelle actuelles. Ce modèle repose toutefois sur deux quantités inconnues : le “Lambda”, qui fait référence à la constante cosmologique, et le “CDM”, pour matière noire froide (cold dark matter en anglais). La constante cosmologique est une option pour expliquer pourquoi l’expansion de l’Univers accélère actuellement ; les autres solutions consisteraient à introduire une composante d’énergie sombre ou à modifier les lois de la gravité. La matière noire est invoquée pour expliquer les interactions gravitationnelles qui ne sont pas associées à la matière lumineuse, et pourrait également être expliquée par des modèles de gravité modifiés. Ensemble, la constante cosmologique et la matière noire représentent environ 95% du budget énergétique de l’Univers, ce qui signifie que seulement 5% de l’Univers est visible. Au Laboratoire d’Astrophysique de Marseille, nous essayons d’observer cet Univers sombre avec différentes techniques afin d’améliorer notre compréhension de l’évolution de l’Univers et de tester toutes ces alternatives au modèle standard de la cosmologie.

    Trous noirs supermassifs : études électro-magnétiques et multi-messagers

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    La plupart sinon toutes les galaxies massives abritent un trou noir supermassif (TNSM) en leur centre, pesant des millions, voire des milliards de fois la masse de notre Soleil. Les TNSM en fonction de la quantité de matière à leur voisinage sont dits soit dormants (au repos) pour des taux d’accrétion extrêmement faibles ou absents (par exemple, Sgr A*, au centre de notre Galaxie), soit actifs (noyaux actifs de galaxies, AGN) pour des taux d’accrétion faibles à très élevés.

    Voie Lactée – Milieu Interstellaire

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    La compréhension détaillée de la formation des étoiles est un défi majeur de l’astrophysique moderne. Les étoiles de faible masse, comme notre Soleil, peuvent accueillir des planètes où la vie pourrait émerger, et les étoiles les plus massives régissent la physique et l’enrichissement chimique du milieu interstellaire (MIS).
    Des observations récentes ont révélé la forte organisation du MIS en réseaux de filaments. Les filaments les plus denses sont maintenant identifiés comme les lieux de naissance des étoiles individuelles, tandis que les jonctions entre les filaments semblent être l’emplacement des amas stellaires et des étoiles de grandes masses.
    Des études récentes montrent que les systèmes de filaments sont également présents dans le MIS des galaxies externes, avec des propriétés similaires à celles de notre Galaxie, ce qui suggère que les filaments sont importants pour la formation d’étoiles dans les galaxies en général.

    Simulations Numériques

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    Les simulations Mochima sont des simulations cosmologiques utilisant la technique “Zoom-in”. Nous effectuons des simulations de la même galaxie spirale en utilisant différentes prescriptions pour décrire la physique baryonique (formation stellaire, rétroaction des Supernovae) et montrons les impacts sur la formation et la morphologie de la galaxie ainsi que les conséquences sur la distribution de matière noire dans le halo et ses sous-structures. Des études supplémentaires sur la modélisation de la physique baryonique sont en cours incluant les rétroactions AGN ainsi que le perfectionnement de la description de la formation stellaire et des feedback supernovae.

    Nunez-Castineyra et al MNRAS 2021.

    https://ui.adsabs.harvard.edu/link_gateway/2021MNRAS.501…62N/doi:10.1093/mnras/staa3233

    https://arxiv.org/abs/2004.06008

    Galaxies: études individuelles

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    Plusieurs chercheurs de l’équipe GECO travaillent à l’étude de galaxies individuelles, ou de petits nombres de galaxies dans l’univers proche, et pour lesquelles il est possible d’obtenir des observations multi-longueur d’onde nous montrant des détails qui nous renseignent sur les processus physique à l’œuvre dans les galaxies.

    C’est le cas par exemple des galaxies de l’amas de la Vierge dans lesquelles ont peut voir le gaz arraché aux galaxies par des de l’environnement dense dans lequel elles résident. Des image profondes permettent aussi d’étudier des classes de galaxies méconnues comme les galaxies à faible brillance de surface, ou les galaxies ultra-diffuse. Finalement, la modélisation numérique de l’évolution des galaxies est aussi utilisée dans l’équipe pour comprendre la nature des processus à l’œuvre dans la formation de ces galaxies, ou de structures comme les barres et les bulbes de galaxies spirales.

    Etoiles Massives et événements transitoires

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    L’astronomie est véritablement en train de connaître une révolution en termes de capacité à surveiller la variabilité temporelle de l’Univers de manière continue. L’ouverture de ce domaine transforme notre connaissance de l’évolution de l’Univers, en particulier pour les objets qui subissent des changements explosifs, tels qu’une supernova ou un sursaut gamma. Ces événements peuvent libérer des quantités d’énergie qui n’ont pas été produites depuis la formation de l’Univers, le Big-Bang.

    Amas de Galaxies

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    Nous étudions les amas de galaxies, objets constitués de plusieurs milliers de galaxies réunies dans une structure virialisée. Ils constituent les noeuds de la toile cosmique et leur étude nous renseignent sur la formation, l’évolution des structures de l’Univers et les modèles cosmologiques sous jacent.

    Ces études sont observationnelles (visible, rayons X, effet SZ) et théoriques (simulations numériques).

    Nous utilisons des télescopes spatiaux, au sol, ainsi que des calculateurs locaux et nationaux.

    ELT HARMONI

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    HARMONI (High Angular Resolution – Monolithic – Optical and Near-infrared – Integral field spectrograph) est l’un des instruments de première lumière du télescope de l’ESO ELT (European Extremely Large Telescope).

    PFS – SuMIRe

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    L’instrument “Prime Focus Spectrograph” (PFS) du projet “Subaru Measurement of Images and Redshifts” cible la cosmologie avec les relevés de galaxies, l’archéologie galactique et les études de la co-évolution galaxies/Noyaux Actifs de Galaxies.
    Site officiel du projet : http://sumire.ipmu.jp/en/2652/

    FIREBall

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    FIREBall est un projet ballon embarquant un spectrographe multi-objets UV.

    EUCLID-NISP

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    Euclid est une mission européenne visant à comprendre l’énergie sombre et dans laquelle le LAM joue un rôle central.