Black hole mergers : connecting stellar physics and global star formation

Les coalescences de trous noirs à l'interface de la formation stellaire globale et de l'évolution stellaire Plus d'une centaine de fusions de trous noirs binaires ont maintenant été signalées par la collaboration LIGO-Virgo-KAGRA (LVK) après leurs trois premières séries d'observations et au cours de l'actuelle campagne O4. Les propriétés physiques de ces paires d'objets compacts sont de mieux en mieux connues. Cependant, la question de leur origine astrophysique et de la nature des mécanismes qui dictent leur formation n'a pas encore trouvé de réponse complète. Les deux principaux scénarios avancés pour expliquer l'existence de ces systèmes sont, d'une part, l'évolution d'une binaire étoiles massives et, d'autre part, un grand nombre d'interactions dynamiques au sein d'un amas d'étoiles. La contribution relative de chacun de ces deux canaux est encore inconnue. Bien que ces dernières années, un certain nombre d'études se soient concentrées sur l'un ou l'autre scénario, il est extrêmement difficile de les modéliser ensemble et de manière cohérente dans un contexte cosmologique. Au cours de ma thèse, je me suis concentré sur cette question et j'ai cherché à étudier les propriétés des trous noirs binaires qui résultent de l'évolution isolée de binaires stellaires et de ceux qui se forment dans des amas d'étoiles massifs. J'utilise pour cela des simulations cosmologiques comme environnements réalistes dans lesquels la formation d'étoiles et d'amas d'étoiles peut être modélisée de manière cohérente pour la première fois. Je présente tout d'abord quelques prédictions du code de synthèse rapide de population COSMIC portant sur l'évolution de binaires stellaires. À l'aide de modèles analytiques simplifiés de formation d'étoiles, je produis des populations synthétiques de trous noirs binaires qui peuvent alors être comparées aux observations LVK. L'utilisation de différentes hypothèses sur l'évolution binaire et sur le taux de formation d'étoiles dans l'Univers montre que les incertitudes sur ces deux aspects sont encore trop grandes pour contraindre de manière robuste ce scénario.En ce qui concerne la formation dynamique, j'ai développé, au sein d'une collaboration internationale, un projet visant à étudier la formation et l'évolution d'amas d'étoiles dans différentes simulations cosmologiques de galaxies. Un modèle de formation d'amas basé sur les propriétés des nuages moléculaires géants présents dans chaque simulation me permet de produire pour la première fois des populations réalistes d'amas d'étoile dans diverses galaxies. Ces amas sont évolués avec le code CMC, en tenant compte de leurs interactions avec l'environnement galactique. En examinant les trous noirs binaires formés dynamiquement dans ces environnements, je suis capable d'identifier certaines de leurs propriétés physiques qui pourraient aider à identifier leur canal de formation. Je trouve également des corrélations entre le taux de fusion de trous noirs binaires, la formation d'amas d'étoiles massifs, et des épisodes intenses de formation d'étoiles, parfois liés à des interactions entre galaxies ou même à des fusions de galaxies. Finalement, j'étends cette méthode, basée sur des simulations de galaxies individuelles, à une simulation d'un volume cosmologique contenant des milliers de galaxies. Je trouve que les galaxies massives semblable à la Voie Lactée, malgré leur faible nombre comparé aux nombreuses galaxies naines de faible masse, ont la plus grande contribution à la population globale des fusions de trous noirs binaires formés dynamiquement dans les amas d'étoiles massifs. En utilisant conjointement le code rapide de synthèse de population COSMIC et le code d'évolution d'amas stellaires CMC appliqués aux binaires stellaires et aux amas d'étoiles situés dans une simulation cosmologique commune, je crée un cadre commun pour étudier de la manière la plus cohérente la formation des trous noirs binaires suivant les deux voies principales décrites ici.