Thèse Etudes de l'Enrichissement dans les Atmosphères Chaudes des Grands Halos de Matière des Galaxies aux Amas de Galaxies H/F - Université de Toulouse

Établissement : Université de Toulouse
École doctorale : SDU2E - Sciences de l'Univers, de l'Environnement et de l'Espace
Laboratoire de recherche : IRAP - Institut de Recherche en Astrophysique et Planetologie
Direction de la thèse : Etienne POINTECOUTEAU ORCID 0000000184883645
Début de la thèse : 2026-10-01
Date limite de candidature : 2026-06-01T23:59:59

Les halos massifs, galaxies, groupes et amas de galaxies, sont entourés d'une atmosphère de gaz chaud constituant leur principal réservoir baryonique, observable en rayons X ou dans le domaine millimétrique. Ce gaz chaud est un outil clé pour étudier la formation et l'évolution des grandes structures, mais les processus de refroidissement, d'enrichissement chimique et de rétroaction restent encore partiellement compris, en particulier pour les systèmes de masse intermédiaire (groupes et galaxies lenticulaires).

L'étude de ces plasmas est essentielle pour relier les différentes étapes de l'assemblage des structures sur une gamme de masses de 1E9 à 1E15 masses solaires et pour comprendre les interactions entre galaxies et leur environnement. Le contenu en métaux, produits par les supernovae et les étoiles AGB, constitue une empreinte fossile de l'histoire de l'enrichissement chimique. Ce projet de thèse vise ainsi à réévaluer de manière homogène les abondances chimiques dans les atmosphères chaudes des amas, groupes, et galaxies elliptiques et lenticulaires, afin de quantifier et d'interpréter la relation masse-métallicité à partir d'abondances absolues et relatives.

Cette thèse propose d'étudier l'enrichissement chimique et les processus thermodynamiques dans les atmosphères chaudes des grands halos de matière, en exploitant des données multi-longueurs d'onde et en préparant les futures observations avec l'observatoire en rayons X NewAthena.

Les travaux proposés s'articulent autour de trois axes de recherche :

1. Etude des abondances dans le 'cooling flow' de l'amas de galaxie du Phénix.
L'objectif est de comprendre comment le plasma X se refroidit en gaz multiphase au centre des amas, ainsi que la composition chimique dans les forts cooling flows comme celui de l'amas du Phénix. L'étude reposera sur une analyse spectroscopique des données XMM-Newton/RGS afin de mesurer les abondances absolues (O, Ne, Mg, Si, S, Fe) et les rapports d'abondance (O/Fe, Ne/Fe, etc). Ces profils seront comparés aux profils thermodynamiques (densité, température, entropie) issus des observations XMM-Newton et corrélés à des observables multi-longueurs d'onde (JWST, HST). L'interprétation s'appuiera sur des modèles de nucléosynthèse stellaire.

2. Extension aux galaxies lenticulaires
Déterminer si les processus d'enrichissement chimique et de refroidissement sont homogènes ou différenciés entre les amas massifs (ex. l'amas du Phénix) et les galaxies isolées, telles que les lenticulaires, est l'objectif de cet axe de travail. À partir d'une analyse systématique des abondances chimiques dans un échantillon de galaxies lenticulaires à l'aide de données d'archives XMM-Newton/RGS et EPIC, l'étudiant(e) mènera une étude comparative des rapports d'abondance (O/Fe, Si/Fe, etc.) et des profils thermodynamiques (température, densité, turbulence) sur une gamme de masses de halos allant de 1E9 à 1E15 masses solaires. L'impact respectif des supernovae (Ia vs cc) sur l'enrichissement du gaz chaud en fonction de la masse sera évalué afin d'établir une relation masse-abondance pour les halos de faible masse et d'identifier les mécanismes dominants, en comparaison avec l'amas du Phoenix.

3. Faisabilité des études CGM pour NewAthena/X-IFU
À plus long terme, l'étude du gaz chaud des galaxies, en particulier du milieu circum-galactique (CGM), sera essentielle pour comprendre l'enrichissement de l'Univers, des échelles stellaires à celles des grands halos. Cet objectif est au coeur de la mission NewAthena et de son instrument X-IFU. À partir de simulations d'observations X-IFU, l'étudiant(e) évaluera la précision des mesures d'abondance (O, Ne, Mg, Si, Fe, etc) et de la turbulence dans des halos de masse intermédiaire (galaxies lenticulaires et groupes). Ce travail contribuera à la préparation scientifique du X-IFU, en évaluant les limites instrumentales, les stratégies d'observation optimales et les cibles prioritaires.

Le travail s'effectuera en équipe. En sus des directeurs de thèse l'étudiant(e) travaillera avec les autres membres de l'équipe, experts en physique des galaxies et des amas de galaxies (ex : N. Clerc, A. Molin, T. Contini) et en méthodes avancées de traitement des données (ex : S. Dupourqué, D. Barret). Le travail prendra place au sein de collaborations scientifiques internationales constituées autour des projets observationnels XMM-Newton (ex : Reviving the Phoenix, CHEX-MATE). Le travail de préparation scientifique de l'instrument X-IFU s'effectuera au sein de l'équipe X-IFU/Athena de l'IRAP. L'IRAP a la responsabilité scientifique (PI) de cet instrument et travaille de concert avec le CNES qui en a la maîtrise d'oeuvre.
L'étudiant(e) sera pleinement intégré(e) aux diverses collaborations et au consortium X-IFU.

The work will be carried out within a team. In addition to the PhD supervisors, the student will collaborate with other team members who are experts in galaxy and cluster physics (e.g. N. Clerc, A. Molin, T. Contini) and in advanced data analysis methods (e.g. S. Dupourqué, D. Barret). The research will take place within international scientific collaborations centred on XMM-Newton observational projects (e.g. Reviving the Phoenix, CHEX-MATE). The scientific preparation work for the X-IFU instrument will be conducted within IRAP's X-IFU/Athena team. IRAP holds the scientific responsibility (PI) for this instrument and works in close coordination with CNES, which is responsible for its implementation. The student will be fully integrated into the various collaborations and the X-IFU consortium.

L'étudiant(e) réduira des données observationnelles de télescopes spatiaux en rayons X et utilisera des méthodes d'analyses en imagerie, ainsi qu'en spectroscopiques à résolution modérée et haute. L'analyse fera appel à des méthode basées sur de l'inférence bayesienne et de l'apprentissage machine. L'étudiant(e) utilisera des outils de simulations comme SIXTE, interfacés avec des objets extrait de simulations de formation des structures.

The student will reduce observational data from space-based X-ray telescopes and will use imaging analysis methods as well as moderate- and high-resolution spectroscopic techniques. The analysis will rely on methods based on Bayesian inference and machine learning. The student will also use simulation tools such as SIXTE, interfaced with objects extracted from structure formation simulations.

L'étudiant(e) aura un bagage en astrophysique, devra être autonome, capable de gérer et d'organiser sa charge de travail, et d'interagir en petite équipe comme dans de plus grands groupes. Elle/Il devra maîtriser l'anglais pour les échanges au sein des diverses collaborations auxquelles elle/il sera associé(e). Elle/Il saura manipuler, modifier et concevoir des outils dans des langages de programmation tels que Python, IDL ou C, sur des plateformes Unix/Linux.