Le printemps cosmique des grandes structures : Spitzer et la recherche de structures à z ~ 2 à haut taux de formation stellaire dans le sillage de Planck et Herschel.

par Clément Martinache

Thèse de doctorat en Astroparticules et cosmologie

Sous la direction de Hervé Dole.

Le président du jury était Nabila Aghanim.

Le jury était composé de Hervé Dole, Nabila Aghanim, Karina Caputi, George Helou, Alessandro Rettura, Emanuele Daddi.

Les rapporteurs étaient Karina Caputi, George Helou.


  • Résumé

    Les galaxies sont des phares dans l'Univers qui nous permettent de comprendre l'évolution de la répartition dans l'Univers de la matière sous toutes ses formes. L'étude de ces galaxies à différentes époques permet de comprendre comment elles s'organisent à grande échelle (supérieures à la distance inter-galaxies) mais aussi comment elles se forment, et forment leurs étoiles.À notre époque cosmologique, les galaxies dans les environnements les plus denses (amas, groupes) présentent des propriétés bien différentes des galaxies dans les environnements moins denses. Cette bimodalité entre 1) des galaxies elliptiques, massives, vieilles et formant peu d'étoiles dans les environnements denses d'une part, et 2) des galaxies spirales, plus jeunes et en phase de formation stellaire intenses dans les environnements moins denses d'autre part, traduit des mécanismes d'évolution et de formation différents.L'étude des galaxies dans les amas révèle des indices "fossiles" sur une époque de dernière phase significative de formation stellaire à un redshift z~2, et pointe vers un épisode de formation stellaire synchrone dans les galaxies de l'amas, et dans de colossales proportions (~500 Masses solaires par an, à mettre en regard avec les taux de formation stellaire moyens observés dans l'Univers local de l'ordre de ~1-10 Masses solaires par an). Mais cette phase manque toujours d'une conclusion observationnelle directe, même si de récentes observations vont dans ce sens.Une voie possible pour la recherche des ces objets est de chercher à détecter leur émission dans l'infrarouge lointain, qui trace directement la formation stellaire. C'est ce qui a été réalisé à l'aide du satellite Planck. Des données Planck/HFI, une équipe en collaboration avec la notre a extrait 2151 candidats amas en phase de formation stellaire intense. Un suivi sur 228 candidats a été réalisé avec le télescope spatial Herschel/SPIRE, et a révélé des surdensités de sources rouges, compatible avec une distribution en redshift autour de z~2, et des taux de formation stellaire de l'ordre de 700 masses solaires par an.Pour mieux contraindre le redshift de ces candidats, et étudier leur contenu en étoiles, un autre suivi sur 80 candidats a été réalisé à l'aide de l'instrument IRAC sur le télescope spatial Spitzer. Mon travail porte principalement sur le traitement et l'analyse de ces données.Les longueurs d'onde de l'instrument IRAC (3.6 et 4.5 microns) sont en effet parfaitement adaptées pour détecter un pic caractéristique d'émission des populations stellaires, permettant une estimation du redshift et de la masse stellaire.Mon travail a révélé des surdensités de sources IRAC rouges (z>1.3) aux positions des sources SPIRE rouges (z~2, SFR~700Msol.an), compatibles avec des amas ou proto-amas en formation stellaire intense. Des estimations de redshifts photométriques et de masse stellaire montrent que ces objets sont compatibles avec les progéniteurs des amas locaux.Ces candidats nécessitent cependant une confirmation, notamment à l'aide de l'obtention de redshifts spectroscopiques. Ce travail a déjà commencé, et deux candidat ont déjà été confirmés à des redshifts de 2.15 et 2.36 à l'aide du 30m/IRAM. Des données obtenues avec les interféromètres ALMA et NOEMA ont révélé que l'émission SPIRE était dans certains cas originaires de plusieurs galaxies.Ces premiers résultats sont encourageants, mais une étude à d'autres longueurs d'onde (proche infrarouge) est aussi nécessaire pour mieux contraindre le contenu en masse de nos objets, ainsi que leur histoire de formation stellaire. Les données sont en parties déjà disponibles, et leur analyse a déjà commencé.

  • Titre traduit

    Cosmic Spring in large-scale structures : Spitzer and the Search for z~2 structures with intense star-formation following Planck and Herschel


  • Résumé

    Galaxies are beacons in the Universe that allow us to understand the evolution of the distribution matter in all its forms. The study of galaxies at different epochs helps to understand how they organize at large scales (greater than inter-galaxies distance) but also how they formed, and formed their stars.At our cosmic epoch, galaxies that reside in the densest environments (clusters, groups) have very different properties compared to galaxies residing in less dense environments. This bimodality between 1) elliptical galaxies, massive, old and forming little stars in dense environments on the one hand, and 2) of spiral galaxies, younger and experimenting intense star formation in less dense environments indicates different evolutionary mechanisms and formation mechanisms.The study of galaxies in clusters reveals that they probably experimented intense star formation at redshifts z ~ 2, and points to a synchronous episode of star formation in the galaxies in the cluster, and of colossal proportions (~ 500 solar masses per year, to be compared with the average rate of star formation observed in the local Universe in the order of ~ 1-10 solar masses per year). But this phase still lack a direct observational conclusion, although recent observations in this direction.One possible way to search for these objects is to try to detect their emission in the far infrared, which traces directly star formation. This is what has been achieved with the Planck satellite. From Planck / HFI data, a team in collaboration with us extracted 2151 cluster candidates experimenting an intense star formation phase. A follow-up of 228 candidates was made with the space telescope Herschel / SPIRE, and revealed overdensities of red sources, compatible with a redshift distribution peaking around z ~ 2, and star formation rates of approximately 700 masses solar year.To better constrain the redshift of these candidates, study their contents in terms of stars, another follow-up on 80 candidates was conducted using the IRAC instrument on the Spitzer Space Telescope. My work focuses on the analysis and interpretation of such data.The wavelengths of the IRAC instrument (3.6 and 4.5 microns) are indeed tailored to detect a characteristic peak emission of stellar populations, to estimate the redshift and the stellar mass.My work revealed overdensities of red IRAC sources (z> 1.3) at the positions of the red SPIRE sources (z ~ 2 ~ 700Msol.an SFR), compatible with clusters or proto-clusters in an intense star formation phase. Estimates of photometric redshifts and stellar mass show that these objects are compatible with the progenitors of local clusters.These candidates, however, require confirmation, especially with obtaining spectroscopic redshifts. This work has already begun, and two candidates have already been confirmed at redshifts of 2.15 and 2.36 using the 30m / IRAM. Data obtained with the ALMA interferometer and NOEMA revealed that the SPIRE emission originates in some cases from several galaxies.These initial results are encouraging, but a study at other wavelengths (near infrared) is also needed to better constrain the content of our mass objects, and their star formation history. The data is already available on part of the smple, and analysis has begun.


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