Thèse Illuminer les Premières Galaxies Repenser la Formation Stellaire et la Rétroaction à l'Ère de Jwst H/F - 75

Établissement : Observatoire de Paris
École doctorale : Astronomie et Astrophysique d'Ile de France
Laboratoire de recherche : Laboratoire d'étude de l'Univers et des phénomènes extrêmes
Direction de la thèse : Andrea CATTANEO ORCID 0000000337547993
Début de la thèse : 2026-10-01
Date limite de candidature : 2026-04-03T23:59:59

Le télescope spatial James Webb (JWST) a ouvert une fenêtre sans précédent sur les premiers centaines de millions d'années de l'histoire cosmique, révélant des galaxies étonnamment lumineuses à des décalages vers le rouge z 10. Leur abondance et leurs luminosités poussent les modèles actuels de formation des galaxies dans leurs retranchements : les mêmes prescriptions de rétroaction qui régulent efficacement la formation stellaire aux époques plus tardives semblent désormais la supprimer trop fortement dans l'Univers primordial. Pourquoi les premières galaxies ont-elles été capables de former des étoiles aussi rapidement, et que nous apprend cela sur la physique de leur milieu interstellaire ?

Ce projet de thèse s'attaque directement à ces questions en explorant le fonctionnement de la formation stellaire et de la rétroaction dans les conditions extrêmes de l'Univers jeune. Plutôt que de supposer que des recettes physiques calibrées à z 0-2 restent valables à des redshifts beaucoup plus élevés, l'étudiant·e étudiera comment les changements de densité du gaz, de métallicité, de structure des nuages et de couplage de la rétroaction peuvent produire naturellement les galaxies brillantes en ultraviolet observées par JWST. L'objectif est d'identifier quels ingrédients physiques doivent évoluer avec le redshift pour reproduire les observations, et quelles hypothèses de longue date pourraient devoir être révisées.

Le coeur du projet repose sur un modèle semi-analytique flexible de formation des galaxies, utilisé comme un laboratoire théorique contrôlé. Ce cadre permet de faire varier indépendamment les principaux processus physiques, rendant possible l'isolement des mécanismes responsables de la formation stellaire précoce - une tâche difficile à réaliser dans les grandes simulations hydrodynamiques cosmologiques.

L'étudiant(e) explorera de manière systématique l'impact des lois de formation stellaire, des efficacités de rétroaction et du caractère intermittent de la formation stellaire sur les propriétés observables des galaxies à z 10, tout en garantissant la cohérence avec les fonctions de masse stellaire et les histoires de formation stellaire à z 6.

Un thème central du projet est la possibilité que les premières galaxies aient connu de courts mais intenses sursauts de formation stellaire, augmentant temporairement leur luminosité UV. De tels sursauts pourraient résulter de nuages de gaz denses s'effondrant rapidement, ou d'un couplage affaibli de la rétroaction dans des environnements pauvres en métaux.

Le projet testera ces scénarios et déterminera lesquels peuvent reproduire les fonctions de luminosité observées par JWST sans entraîner une surproduction d'étoiles aux époques ultérieures. Les modèles jugés satisfaisants seront ensuite comparés à des simulations hydrodynamiques de pointe afin d'évaluer si des résultats d'observation similaires émergent de mécanismes physiques identiques.

Au-delà de la reproduction des données existantes, l'étudiant(e) produira des prédictions pour les futures observations de JWST, notamment la dispersion et le cycle d'activité des luminosités UV à masse de halo donnée, le regroupement spatial des galaxies brillantes à haut redshift, ainsi que l'évolution de la forme des fonctions de luminosité. Ces diagnostics permettront de discriminer entre différentes interprétations physiques à mesure que de nouveaux jeux de données deviendront disponibles.

Cette thèse offre l'opportunité de travailler à la frontière de l'astrophysique de l'Univers primordial, en utilisant la modélisation théorique pour sonder les limites physiques de la formation des galaxies durant le premier milliard d'années. L'étudiant·e acquerra une expertise approfondie en théorie de la formation des galaxies, en physique de la formation stellaire et dans l'interprétation des observations de pointe de JWST, contribuant ainsi à l'un des domaines les plus dynamiques et en évolution rapide de la cosmologie moderne.

Les premières observations profondes de JWST ont révélé des galaxies étonnamment lumineuses à des redshifts z 10, moins de 500 millions d'années après le Big Bang. Leur abondance et leurs luminosités dépassent largement les prédictions de nombreux modèles de formation des galaxies développés avant JWST.

Cette tension ne provient pas d'un manque de baryons dans les halos de matière noire à grand décalage spectral, mais de la difficulté des modèles actuels à convertir efficacement le gaz disponible en étoiles. Les prescriptions de formation et rétroaction stellaire utilisées dans les modèles semi-analytiques et les simulations hydrodynamiques sont généralement calibrées à petit décalage spectral, dans des environnements physiques très différents de ceux de l'Univers primordial. JWST offre pour la première fois la possibilité de tester directement la validité de cette extrapolation.

L'objectif principal du projet est de déterminer si les propriétés observées des premières galaxies détectées par JWST (z 10) peuvent être reproduites dans le cadre du modèle cosmologique standard, en réexaminant les prescriptions physiques de formation stellaire et de feedback, tout en conservant un bon accord avec les contraintes observationnelles bien établies à plus bas redshift (z 6).

Plus spécifiquement, le projet vise à :
- tester la validité de l'extrapolation à grand décalage spectral des modèles de rétroaction calibrés à z 0-2 ;
- évaluer si les conditions extrêmes du milieu interstellaire à grand décalage spectral permettent des efficacités de formation stellaire plus élevées ;
- explorer le rôle des flambées de formation stellaire dans l'interprétation des luminosités UV observées par JWST ;
- identifier les combinaisons de prescriptions physiques compatibles avec l'ensemble des contraintes d'observation disponibles.

Le projet s'appuie sur le modèle semi-analytique de formation des galaxies GalICS, utilisé comme un laboratoire théorique contrôlé. Cette approche permet de faire varier indépendamment les processus physiques clés et d'en analyser les effets de manière causale.

L'étudiant(e) explorera systématiquement les effets de varier :
- la lois de formation stellaire ;
- l'intensité et les délais d'activation de la rétroaction par les supernovas et les trous noirs ;
- les temps de ré-accrétion du gaz chauffé ou expulsé ;
- le degré de variabilité du taux de formation stellaire.

Chaque variante de modèle sera confrontée à plusieurs contraintes d'observation sur une large gamme de décalages spectraux, garantissant la robustesse physique des solutions obtenues. Les modèles réussissant à reproduire les observations JWST seront comparés aux simulations hydrodynamiques de dernière génération afin d'identifier les mécanismes physiques communs ou compensatoires.