Dynamics of a truncated self-gravitating isothermal sphere

Dynamique d'une sphère autogravitante isotherme et tronquée

Guillaume Plum (1)

1 Observatoire de Paris

The general theme of the thesis is the dynamics of gravitating systems such as globular clusters and galaxies. The aim is to confront in this context, the observational facts to theoretical models and numerical simulation results. We focused initially on the evolution of globular clusters in our galaxy. The study of the evolution of density profiles has taught us that in addition to the well-known increase in central density, these clusters also show a change in the slope of their halo during their dynamic evolution in the galaxy . We then undertook a comprehensive study of different theoretical models of isothermal spheres and especially their stability. this study allowed us to extend a model of King simplified some stability results usually presented in the exclusive setting of the isothermal sphere. These tests proved both compelling and informative. With the aim of confirming the analytical results of these observational findings, we undertook numerical simulations. The choosen code for these simulations is the public treecode code Gadget-2. In addition to its high efficiency and perfect compatibility with our problem, we took advantage of these simulations to undertake comparative tests with a Vlasov code showing a dramatic agreement between N-body approach and fluid approach. Simulations that we have undertaken gravitating consisted of placing a system in a thermal bath, the two systems consisting of particles having varying characteristics. The study gravitating system was as if a sphere Henon undergoing collapse and continues to evolve over hundreds of dynamic time or sphere of King initially at equilibrium. Although we were not able at this time, a numerical point of view, to be truly demonstrated the instability suggested by our theoretical calculations, our simulations allowed us to obtain the following results: - We were able to reproduce numerically the evolution of the slope and the collapse of the core of the system in quasi-equilibrium obtained after the collapse of a sphere of Henon in a heat bath ; - In some cases consistent with the theory, we could bring up a radial orbit instability controlled by the accretion of a portion of the thermal bath.

Le thème général de la thèse est la dynamique des systèmes autogravitants tels que les amas globulaires et les galaxies. L'objectif est de confronter dans ce contexte, les faits observationnels aux modèles théoriques et aux résultats de simulations numériques. Nous nous sommes intéressés dans un premier temps à l'évolution des amas globulaires de notre galaxie. L'étude de l'évolution des profils de densité nous a appris qu'en plus de l'augmentation bien connue de leur densité centrale, ces amas présentent également une évolution de la pente de leur halo au cours de leur évolution dynamique dans la galaxie. Nous avons alors entrepris l'étude générale de différents modèles théoriques de sphères isothermes et plus particulièrement de leur stabilité. Cette étude nous a permis d'étendre à un modèle de King simplifié certains résultats de stabilité habituellement présentés dans le cadre exclusif de la sphère isotherme. Ces tests se sont révélés à la fois concluants et instructifs. Dans l'objectif de la confirmation de ces résultats analytiques et de ces constats observationnels, nous avons entrepris des simulations numériques. Le code choisi pour effectuer ces simulations est le treecode public Gadget-2. Outre sa grande efficacité et sa compatibilité parfaite avec notre problème, nous avons profité de ces simulations pour entreprendre des tests comparatifs avec un code Vlasov montrant un accord spectaculaire entre l'approche N-corps et l'approche fluide. Les simulations que nous avons entreprises consistaient à placer un système autogravitant au sein d'un bain thermique, les deux systèmes étant constitués de particules et possédant des caractéristiques variables. Le système autogravitant d'étude était selon les cas une sphère de Hénon subissant un effondrement et poursuivant son évolution sur plusieurs centaines de temps dynamiques ou une sphère de King initialement à l'équilibre. Bien que nous n'ayons pas réussi pour le moment, d'un point de vue numérique, à mettre réellement en évidence l'instabilité suggérée par nos calculs théoriques, nos simulations nous ont permis d'obtenir les résultats suivants: - nous avons pu reproduire numériquement l'évolution de la pente et l'effondrement du cøe ur du système en quasi-équilibre obtenu après l'effondrement d'une sphère de Henon dans un bain thermique ; - dans certains cas compatibles avec la théorie, nous avons pu faire apparaitre une instabilité d'orbite radiale contrôlée par l'accrétion d'une partie du bain thermique.

Mots clés: astronomy

Mots clés: Gravitation; Dynamique; Thermodynamique

Domaines: Astrophysique [astro-ph]

Guillaume Plum. Dynamique d'une sphère autogravitante isotherme et tronquée. Astrophysique [astro-ph]. Observatoire de Paris, 2014. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-02095161⟩