Modélisation de l'émission Lyman-alpha dans les galaxies à grand décalage spectral et simulations cosmologiques

par Thibault Garel

Thèse de doctorat en Astrophysique

Sous la direction de Bruno Guiderdoni et de Jérémy Blaizot.

Soutenue le 04-11-2011

à Lyon 1 , dans le cadre de École doctorale de Physique et d’Astrophysique (Lyon) , en partenariat avec Centre de recherche astrophysique de Lyon (CRAL) (laboratoire) .

Le président du jury était Thomas Buchert.

Le jury était composé de Daniel Schaerer.

Les rapporteurs étaient Stéphane Charlot, Olivier Le Fèvre.


  • Résumé

    Depuis une quinzaine d'années, de nombreuses galaxies sont détectées grâce à leur raie d'émission Lyman-alpha à des décalages spectraux supérieurs à 3. Ces objets, dits Émetteurs Lyman-alpha, nous permettent ainsi de sonder les galaxies dans l'Univers lointain, alors âgé de moins de deux milliards d'années. Bien qu'un grand nombre d'Émetteurs Lyman-alpha ait été détecté jusqu'à présent, leurs propriétés statistiques et physiques sont encore mal contraintes. En effet, les observations sont difficiles à interpréter du fait des effets de transfert résonnant des photons Lyman-alpha dans le milieu interstellaire et de la cinématique du gaz. En plus des observations, des efforts théoriques sont donc nécessaires pour mieux comprendre les caractéristiques physiques de ces objets, leur rôle dans le scénario de formation hiérarchique des galaxies, et leur lien avec l'autre grande populations de galaxies lointaines, les galaxies à discontinuité de Lyman. Cette thèse a pour but de proposer une modélisation originale de cette population d'Émetteurs Lyman-alpha dans le contexte cosmologique. La formation et l'évolution hiérarchique des galaxies est décrite grâce au modèle hybride GALICS, associant une simulation à N corps de matière noire, à des prescriptions semi-analytiques pour modéliser la physique des galaxies. GALICS prédit les propriétés physiques d'un large échantillon de galaxies entre z~3 et 7. Les propriétés de la raie Lyman-alpha sont obtenues grâce au couplage de GALICS avec une librairie de modèles numériques, réalisés avec le code MCLya. Avec cette approche, la fraction d'évasion des photons Lyman-alpha et le profil de la raie émergent des galaxies peuvent ainsi être prédits, en prenant en compte les effets de transfert résonnant des photons Lyman-alpha et la cinématique du milieu. Le modèle prévoit une forte dispersion de la fraction d'évasion des photons Lyman-alpha fesc en fonction de leur taux de formation stellaire. Les galaxies peu massives, formant peu d'étoiles ont une fraction d'évasion Lyman-alpha de l'ordre de l'unité. En revanche, fesc est distribué entre 0 et 1 pour les objets plus massifs, formant intensément des étoiles, selon les propriétés physiques des galaxies. Les résultats du modèle donnent un accord satisfaisant avec la plupart des observations, en particulier les fonctions de luminosité Lyman-alpha et UV entre z~3 et 7. Le modèle parvient à reproduire conjointement les propriétés UV des galaxies sélectionnées en UV (galaxies à discontinuité de Lyman) et celles des Émetteurs Lyman-alpha. Nous trouvons que les Émetteurs Lyman-alpha sont des galaxies de masse modérée présentant des profils de raie asymétriques, en bon accord avec les données observationnelles. Le modèle prévoit notamment une forte abondance de galaxies de faible luminosité Lyman-alpha. Ces objets peu lumineux seront une des cibles privilégiées du spectrographe intégral de champ MUSE, qui sera prochainement installé au VLT. Dans le but d'aider à la préparation des futurs relevés que MUSE effectuera, des champs fictifs d'Émetteurs Lyman-alpha ont été construits grâce au modèle pour fournir des prédictions, notamment en terme de comptages et de variance cosmique.

  • Titre traduit

    Modelling of the Lyman-alpha emission in high redshift galaxies and cosmological simulations


  • Résumé

    Many galaxies have been detected at high redshift since the late nineties thanks to their strong Lyman-alpha emission line. These objects, knows as Lyman-alpha Emitters, allow us to probe galaxies in the first two Gigayears of the Universe. Although a large amount of detections, their statistical and physical properties are still poorly constrained. Indeed, observations are difficult to interpret, mainly due to line transfer effects in the interstellar mediaum and gas kinematics. In addition to observations, theoretical efforts are needed to reach a better understanding of the properties of these objects, their role in the scenario of hierarchical formation of galaxies, and their link with the other main high redshift galaxy population, the so-called Lyman Break galaxies. In this thesis, we model Lyman-alpha Emitters in the cosmological context with an original method. The hierarchical galaxy formation process is described with the GALICS model, which couples a N body simulation of Dark Matter, with semi-analytic prescriptions to model galaxy physics. GALICS can predict the physical properties of a large sample of mock galaxies between z~3 and 7. Lyman-alpha properties are computed thanks to the coupling of GALICS with a library of numerical tranfser models, generated with the MCLya code. With this approach, Lyman-alpha photons escape fractions and line profiles can be predicted, taking into account resonnant scattering effects and gas kinematics. We find a strong dispersion of the escape fraction with respect to the star formation rate of the galaxies. The model predictions are in good agreement with most of the observationnal data, especially the Lyman-alpha luminosity functions between z~3 and 7. The model is able to reproduce UV properties of UV and Lyman-alpha selected galaxies. We find that Lyman-alpha Emitters have moderate mass on average and display asymetric line profiles, as it is shown by the observations. In particular, we predict a strong abundance of faint Lyman-alpha Emitters. These objects will be a main target of the forthcoming MUSE instrument that will be installed at VLT. In order to help preparing future surveys with MUSE, mock fields of Lyman-alpha Emitters have been created with our model to make predictions, especially in terms of number counts and cosmic variance.


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