Étude des propriétés optiques d’amas de galaxies détectés en rayons X : analyse multi-longueurs d’onde et implications pour les grands relevés du futur

par Marina Ricci

Thèse de doctorat en Sciences de la planète et de l'univers

Sous la direction de Sophie Maurogordato.

Soutenue le 03-10-2018

à Côte d'Azur , dans le cadre de École doctorale Sciences fondamentales et appliquées (Nice) , en partenariat avec Université de Nice (établissement de préparation) , Laboratoire Joseph-Louis Lagrange (Nice, Alpes-Maritimes) (laboratoire) et de Joseph Louis LAGRANGE (laboratoire) .

Le président du jury était Chiara Ferrari.

Le jury était composé de Chiara Ferrari, Monique Arnaud, Andrea Biviano, Christophe Benoist, Stéphane Arnouts, Emmanuel Gangler, Marguerite Pierre.

Les rapporteurs étaient Monique Arnaud, Andrea Biviano.


  • Résumé

    Répondre aux questions fondamentales concernant notre compréhension de l’Univers, comme la cause de son expansion accélérée ou la nature de la matière noire, requiert de confronter les théories aux observations. Dans ce contexte, les amas de galaxies peuvent être utilisés comme de puissantes sondes observationnelles. Cependant, à l’heure actuelle, leur utilisation est limitée par des incertitudes et des effets systématiques, qui affectent notamment la mesure de leur masse, que l’on présume dominée par la matière noire. Les amas de galaxies peuvent être étudiés à différentes longueurs d’onde : le gaz chaud qui compose le milieu intra-amas (ICM en anglais) émet des rayons X et est observable dans le domaine millimétrique via l’effet Sunyaev Zel’dovich (SZ), alors que les galaxies rayonnent principalement en optique et infrarouge. Combiner et comparer ces observables permet de réduire les incertitudes et les effets systématiques des contraintes cosmologiques issues des amas. Dans ce contexte, cette thèse a pour but de préparer les grands relevés observationnels du futur comme Euclid et le Large Synoptic Survey Telescope (LSST). Elle présente les analyses multi-longueurs d’onde d’un échantillon d’amas détectés en X dans le relevé XXL, couvrant une large gamme de masses et de redshifts. La première partie de cette thèse introduit le contexte cosmologique et présente les propriétés observationnelles des galaxies et amas de galaxies, ainsi que les ingrédients pour construire des échantillons cosmologiques d’amas. La deuxième partie traite de la caractérisation optique des amas XXL et des propriétés de leurs galaxies membres. Nous commençons par la présentation de XXL et du Canada-France-Hawaii Telescope Legacy Survey (CFHTLS), un relevé optique associé. Ensuite, nous nous concentrons sur la caractérisation de la qualité des redshifts photométriques du CFHTLS et sur leur utilisation pour construire les fonctions de luminosité (LF en anglais) optiques des galaxies d’amas XXL. Il apparaît que la LF des galaxies satellites dépend légèrement de la richesse des amas, le principal proxy de masse en optique, mais ne montre pas d’évolution significative avec le redshift. Ensuite, nous entreprenons l’étude de la couleur et de la fraction de galaxies à noyaux actifs (AGN en anglais) dans les galaxies d’amas XXL et montrons que la masse joue un rôle clé dans la régulation de l’activité de formation stellaire dans les amas. Pour finir, l’algorithme de détection d’amas WaZP est utilisé pour étudier la contrepartie optique des amas XXL. La troisième partie de cette thèse est consacrée au projet observationnel dédié à la cartographie du signal SZ de trois amas XXL distants, avec la camera à haute résolution angulaire NIKA2. La préparation du projet est discutée, en se servant des données optiques et X afin de prédire le signal SZ attendu. Ensuite, nous présentons la procédure d’observation au télescope et la réduction des données, dédiée à la production des cartes SZ étalonnées. Le projet est en cours et un amas, XLSSC102, à z = 0.97, a été observé partiellement. Nous développons ensuite une méthode de détection en aveugle des potentielles galaxies qui peuvent contaminer le signal SZ, permettant la découverte fortuite de galaxies poussiéreuses à haut taux de formation stellaire dans le champ de XLSSC102. La morphologie et l’état dynamique de XLSSC102 sont ensuite caractérisés grâce à la combinaison des données optiques, SZ et X et les profils radiaux de masse et de propriétés thermodynamiques de l’ICM sont mesurés en associant les données X et SZ. Cela permet de montrer que XLSSC102 est un amas en coalescence avec une masse de ∼ 3 × 10^14 Msol et est compatible avec le scénario d’évolution standard de la formation des amas.

  • Titre traduit

    Study of the optical properties of X-ray selected galaxy clusters : multi-wavelengths analysis and implications for the future large surveys


  • Résumé

    Addressing fundamental questions regarding our understanding of the Universe, such as the cause of its accelerated expansion or the nature of dark matter, requires to confront theories and observations. In this context, galaxy clusters can be used as powerful observational probes. However, their current utilisation is limited by uncertainties and systematic effects, notably affecting the measurement of their mass, which is presumably dominated by dark matter.Galaxy clusters can be studied at different wavelengths: the hot gas composing the Intra Cluster Medium (ICM) shines in X-ray and is observable at millimetre wavelengths via the Sunyaev-Zel’dovich (SZ) effect, whereas galaxies emit principally in the optical and infrared. Combining and comparing these observables allows us to reduce the uncertainties and systematics in the cosmological constraints obtained from clusters. In this context, this thesis aims at paving the way of future large surveys such as Euclid and the Large Synoptic Survey Telescope. It presents the multi-wavelengths analyses of a sample of clusters detected in X-ray in the XXL survey, spanning a wide range of masses and redshifts. The first part of the thesis introduces the cosmological context and presents the observational properties of galaxies and clusters, and the ingredients to build cosmological cluster samples. The second part concentrates on the optical characterisation of XXL clusters and the properties of their member galaxies. It starts by presenting XXL and the Canada-France-Hawaii Telescope Legacy Survey (CFHTLS), an optical counterpart survey. Then, it focuses on the characterisation of the CFHTLS photometric redshifts quality and their use to construct the optical galaxy luminosity functions (LF) of XXL clusters. The LF of satellite galaxies is found to slightly depend on cluster richness, the main optical mass proxy, but no significant redshift evolution is observed. Then, the study of the colour and active galactic nuclei (AGN) fraction in XXL cluster galaxies is performed, finding that the mass plays a key role in shaping AGN and star formation activity in clusters. Finally, the WaZP optical cluster finder algorithm is used to investigate the optical counterparts of XXL clusters. The third part of this thesis is dedicated to the observational project dedicated to the mapping of the SZ signal in three distant XXL clusters, with the high angular resolution NIKA2 camera. The preparation of the project is discussed, making use of the X-ray and optical data to predict the expected SZ signal. Then, the observation procedure at the telescope and the data reduction, dedicated to produce calibrated SZ maps, are presented. The project is still ongoing and one cluster, XLSSC102, at z = 0.97, has been partially observed. The development of the blind detection of galaxies potentially contaminating the SZ signal is developed, allowing for the serendipitous discovery of dusty star forming galaxies in the field of XLSSC102. The morphology and dynamical state of XLSSC102 are then characterised using optical, SZ and X-ray data and the radial ICM thermodynamics and mass profiles are measured combining SZ and X-ray data. This allows us to show that XLSSC102 is a merging cluster with a mass ∼ 3 × 10 14 M, and is compatible with the standard evolution scenario of cluster formation.



Le texte intégral de cette thèse sera accessible librement à partir du 02-10-2019

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