Following the collapse and evolution of cosmological structures in simulations

Les grands relevés observationnels des dernières décennies ont conduit à imposer le modèle ΛCDM comme le modèle cosmologique privilégié pour décrire l'Univers. Dans ce modèle, la matière noire représente la principale composante de la matière de l'Univers, et sa nature inconnue représente l'un des plus grands mystères de la physique contemporaine. La modélisation dynamique de la matière noire par le biais de simulations numériques constitue désormais un outil indispensable pour contraindre ses propriétés et ses origines physiques. Dans cette thèse, nous étudions différents aspects de l’effondrement gravitationnel des perturbations dans le champ de densité initial, qui mène à une toile cosmique complexe composée de murs, filaments et halos, dans lequel les baryons se condensent et forment les riches structures que nous pouvons observer aujourd’hui. En particulier, nous utilisons des simulations cosmologiques à N-corps et employons une application Lagrangienne depuis les conditions initiales jusqu’aux positions et vitesses finales pour suivre l'évolution du fluide de matière noire. Dans un premier temps, nous utilisons les propriétés de l’espace des phases de la matière noire pour étudier l'émergence du champ de tenseur de dispersion des vitesses aux grandes échelles. Il transporte les signatures des anisotropies de l’effondrement gravitationnel, ce qui nous permet de déduire une nouvelle méthode de classification de la toile cosmique et de caractériser le champ de vitesse de la matière noire dans ces environnements effondrés. Nous montrons ensuite que l’amplitude de la dispersion de vitesse de la matière noire est en bon accord avec les vitesses aléatoires isotropes dans le gaz de baryons chauffé par chocs et traçant la distribution de matière noire. Ceci permettra d'améliorer les prédictions des températures du milieu intergalactique à partir des simulations à N-corps dans des études futures. Dans un second temps, nous nous concentrons sur l’effondrement de halos gravitationnellement liés et leur origine dans le champ de perturbation initial. Ces patchs de proto-halos jouent un rôle important pour des simulations zoom, c’est-à-dire des simulations qui concentrent les ressources de calculs sur un objet spécifique et requièrent ainsi une connaissance précise du patch Lagrangien depuis lequel cet objet se forme. Dans ce cadre nous avons développé une application Web qui permet aux utilisateurs de sélectionner des objets cibles en vue d'être re-simulés dans des catalogues de halos extraits de diverses simulations récentes, de récupérer les conditions initiales compatibles à différents codes de simulations raffinées sur leurs proto-halos associé, et de référencer ces conditions initiales dans les publications scientifiques. Enfin, nous utilisons les jeux de données disponibles de halos et proto-halos associés pour étudier la connexion entre les perturbations initiales, les propriétés intrinsèques des objets effondrés et l’influence de l’environnement à grande échelle.Observational efforts during the last decades have led to the establishment of the ΛCDM model as the standard model of our Universe. In this model, dark matter represents the majority of the matter content of the Universe, whose unknown nature poses one of the largest mysteries in physics today. A key ingredient for constraining its properties and physical origin from astronomical observations is the modeling of dark matter in cosmological simulations to understand the formation of structures and create accurate predictions. In this thesis, we study various aspects of the gravitational collapse of perturbations in the initial density field, which leads to an intricate web composed of walls, filaments, and halos, in which baryons condense and form the rich structures that we can observe today. In particular, we use cosmological Nbody simulations and exploit the Lagrangian mapping from coordinates in the initial conditions to the late time positions and velocities to follow the evolution of the dark matter fluid. In a first part, we use the phase-space properties of dark matter to study the emergence of the largescale velocity dispersion tensor field. It carries the anisotropic signature of gravitational collapse, allowing us to derive a new classification method of the cosmic web and characterize the velocity field of dark matter in these collapsed environments. We then show that the amplitude of the dark matter velocity dispersion is in good agreement with the isotropic random velocities in the shock-heated baryonic gas tracing the dark matter distribution. This will allow improved predictions of temperatures of the intergalactic medium from N-body simulations in future studies. In a second part, we focus on the collapse of gravitationally bound halos and their origin in the initial perturbation field. These proto-halo patches play an important role for zoom simulations, i.e. simulations that focus computational resources on an individual object of interest and thus require accurate knowledge about the Lagrangian patch from where the object forms. In this regard, we develop a web application, which allows users to find target objects for re-simulation in various halo catalogs of existing state-of-the-art simulations, to retrieve initial conditions for different simulation codes refined on their associated proto-halo, and to reference the initial conditions in scientific publications. Finally, we exploit the available dataset of halos and associated proto-halos to study the connection between the initial perturbations, intrinsic properties of the collapsed objects, and the influence of the large scale environment