Zooming in on star formation in the brightest galaxies of the early universe discovered with the Planck and Herschel satellites

par Raoul Cañameras (Cañameras)

Thèse de doctorat en Sciences de l'Univers

Sous la direction de Nicole Nesvadba.

Soutenue le 26-09-2016

à Paris Saclay , dans le cadre de Ecole doctorale Astronomie et Astrophysique d'Ile de France (Meudon, Hauts-de-Seine) , en partenariat avec Université Paris-Sud (établissement opérateur d'inscription) et de Institut d'astrophysique spatiale (Orsay, Essonne) (laboratoire) .

Le président du jury était Laurent Verstraete.

Le jury était composé de Nicole Nesvadba, Laurent Verstraete, Véronique Buat, Carlos De Breuck, Alessandro Boselli, David Elbaz.

Les rapporteurs étaient Véronique Buat, Carlos De Breuck.

  • Titre traduit

    Zoom sur la formation stellaire au sein des galaxies les plus brillantes de l'univers jeune découvertes avec les satellites Planck et Herschel


  • Résumé

    Les galaxies amplifiées par lentillage gravitationnel fort offrent une opportunité exceptionnelle pour caractériser la formation stellaire intense au sein des galaxies poussiéreuses les plus distantes. Dans les cas les plus favorables, il est possible d'étudier les mécanismes qui régissent la formation stellaire jusqu'aux échelles des régions de formation d'étoiles individuelles. Les alignements fortuits entre ces galaxies actives et des structures d'avant-plan produisant des facteurs d'amplification par lentillage gravitationnel >> 10 restent néanmoins très rares. L'échantillon des Planck's Dusty GEMS (Gravitationally Enhanced subMillimeter Sources), découvert par le relevé de ciel complet du satellite Planck dans le domaine sub-millimétrique, contient onze galaxies à haut décalage spectral extrêmement brillantes. Leurs densités de flux à 350 microns se situent entre 300 et 1000 mJy, au-delà de la plupart des sources lentillées précédemment découvertes par les relevés en infrarouge lointain et sub-millimétrique. Six d'entre elles dépassent la limite en complétude à 90% du catalogue de sources ponctuelles détectées par Planck (PCCS), indiquant qu'elles sont parmi les plus brillantes sources lointaines sélectionnées par leur formation stellaire intense. Cette thèse s'intègre dans le suivi multi-longueur d'onde de cet échantillon exceptionnel, destiné à sonder les propriétés globales des sources d'arrière-plan et à contraindre les configurations de lentillage. Premièrement, j'utilise de l'imagerie et de la spectroscopie en visible et en infrarouge proche et moyen pour caractériser les structures formant la lentille et pour construire des modèles de lentillage gravitationnel complets. J'en déduis que les onze GEMS sont effectivement alignées avec des surdensités de matière en avant-plan, soit des galaxies massives et isolées, soit des groupes ou amas de galaxies. Ces objets amplifiants contiennent des populations d'étoiles évoluées et âgées de plusieurs milliards d'années, indiquant qu'il s'agit de galaxies précoces. De plus, la modélisation détaillée de l'effet de lentillage vers les GEMS suggère que les amplifications atteignent systématiquement des facteurs > 10, et > 20 pour certaines lignes de visée. Deuxièmement, nous observons dans les domaines infrarouge lointain et millimétrique pour caractériser les sources d'arrière-plan. Les données en interférométrie de l'IRAM et du SMA à des résolutions inférieures à la seconde d'arc montrent que les GEMS ont des morphologies très déformées, preuve de fortes distorsions gravitationnelles. J'obtiens des températures de poussières de 33 à 50 K et des luminosités atteignant 2x10^14 luminosités solaires en infrarouge lointain, sans corriger du facteur d'amplification. La relation entre températures de poussières et luminosités infrarouge confirme également que, pour une température donnée, les GEMS sont plus brillantes que les galaxies similaires non lentillées. Je conclus qu'à ces longueurs d'onde, le chauffage des poussières semble être dominé par l'activité de formation stellaire avec une contamination par d'éventuels noyaux actifs systématiquement inférieure à 30%. Nous trouvons des décalages vers le rouge compris entre 2.2 et 3.6 grâce à la détection d'au moins deux raies d'émission du gaz atomique ou moléculaire par source. Finalement, je cible les trois sources lentillées de l'échantillon ayant les propriétés les plus remarquables. En particulier, la plus brillante d'entre elles s'avère être un sursaut présentant des densités de formation stellaire proches de la limite d'Eddington, et permet de sonder la naissance des étoiles dans ses phases les plus extrêmes.


  • Résumé

    Strongly gravitationally lensed galaxies offer an outstanding opportunity to characterize the most intensely star-forming galaxies in the high-redshift universe. In the most extreme cases, one can probe the mechanisms that underlie the intense star formation on the scales of individual star-forming regions. This requires very fortuitous gravitational lensing configurations offering magnification factors >> 10, which are particularly rare toward the high-redshift dusty star-forming galaxies. The Planck's Dusty GEMS (Gravitationally Enhanced subMillimeter Sources) sample contains eleven of the brightest high-redshift galaxies discovered with the Planck sub-millimeter all-sky survey, with flux densities between 300 and 1000 mJy at 350 microns, factors of a few brighter than the majority of lensed sources previously discovered with other surveys. Six of them are above the 90% completeness limit of the Planck Catalog of Compact Sources (PCCS), suggesting that they are among the brightest high-redshift sources on the sky selected by their active star formation. This thesis comes within the framework of the extensive multi-wavelength follow-up programme designed to determine the overall properties of the high-redshift sources and to probe the lensing configurations. Firstly, to characterize the intervening lensing structures and calculate lensing models, I use optical and near/mid-infrared imaging and spectroscopy. I deduce that our eleven GEMS are aligned with intervening matter overdensities at intermediate redshift, either massive isolated galaxies or galaxy groups and clusters. The foreground sources exhibit evolved stellar populations of a few giga years, characteristic of early-type galaxies. Moreover, the first detailed models of the light deflection toward the GEMS suggest magnification factors systematically > 10, and > 20 for some lines-of-sight. Secondly, we observe the GEMS in the far-infrared and sub-millimeter domains in order to characterize the background sources. The sub-arcsec resolution IRAM and SMA interferometry shows distorded morphologies which definitively confirm that the eleven sources are strongly lensed. I obtain dust temperatures between 33 and 50 K, and outstanding far-infrared luminosities of up to 2x10^14 solar luminosities before correcting for the gravitational magnification. The relationship between dust temperatures and far-infrared luminosities also confirms that the GEMS are brighter than field galaxies at a given dust temperature. I conclude that dust heating seems to be strongly dominated by the star formation activity with an AGN contamination systematically below 30%. We find secure spectroscopic redshifts between 2.2 and 3.6 for the eleven targets thanks to the detection of at least two CO emission lines per source. Finally, I focus on the three gravitationally lensed sources showing the most remarkable properties including the brightest GEMS, a maximal starburst with star formation surface densities near the Eddington limit.


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