L’émission Lyman-alpha du milieu circumgalactique des galaxies distantes zoomées par effet de lentille gravitationnelle et observées avec MUSE au VLT

The Lyman-alpha emission from the circumgalactic medium of distant galaxies observed through gravitational lensing with MUSE/VLT

• Auteur / Autrice : Adélaïde Claeyssens
• Direction : Johan Richard
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Astrophysique
• Date : Soutenance le 08/10/2021
• Etablissement(s) : Lyon
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de Physique et Astrophysique de Lyon (1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Université Claude Bernard (Lyon ; 1971-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre de Recherche Astrophysique de Lyon (1995-....)
• Jury : Président / Présidente : Jérémy Blaizot
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Johan Richard, Daniel Schaerer, Céline Péroux, Roser Pello, Mathieu Puech
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Daniel Schaerer, Céline Péroux

Mots clés

Mots clés contrôlés

Halos galactiques

Lentilles gravitationnelles

Galaxies -- Évolution

Formation des galaxies

Mots clés libres

Galaxies

Lentille gravitationnelle

Spectroscopie 3D

Milieu circumgalactique

Galaxies

Gravitational lensing

3D spectroscopy

Circumgalactic medium

Résumé

Les galaxies sont entourées d'une grande quantité de gaz très étendu, principalement composé d'hydrogène froid. Cette région appelée, milieu circumgalactique (CGM), est le lieu des échanges de gaz entre la galaxie et son milieu environnant, et est par conséquent un élément clef à observer pour comprendre les phénomènes qui régissent la formation et l'évolution des galaxies. Cette étude est particulièrement importante afin de déterminer quels éléments physiques sont impliqués dans les échanges de matière entre les galaxies et leur milieu environnant et en quelle proportion. Ce travail de thèse étudie, par l'observation, le milieu circumgalactique des galaxies distantes (z>3) grâce à la raie d'émission Lyman-alpha. Les contraintes sur la détection et l'étude de telles sources distantes conduisent à l'utilisation de l'effet de lentille gravitationnelle pour bénéficier de l'effet d'amplification associé. Pour mener cette étude, un échantillon de dix-sept amas de galaxie à été constitué. Tous ces amas ont été observées à la fois avec le télescope spatial Hubble et l'instrument MUSE au VLT. A partir de ces observations, des catalogues de redshifts complets, de tous les objets détectés dans chaque champ, ont été construit. Grâce à ces nombreuses sources détectées, les modèles de masse construit pour chaque amas font partie des modèles les plus contraints et les plus précis qui existent. A partir de ces catalogues, l'échantillon Lensed Lyman-Alpha MUSE Arc Sample (LLAMAS) a été constitué en regroupant toutes les sources associées à une émission Lyman-alpha, avec une mesure de redshift robuste 602 galaxies au total). L'étude de cet échantillon a montré que: • Le milieu circumgalactique est un milieu complexe, au sein duquel plusieurs phénomènes physiques interviennent. Les mesures spatiales ont confirmé que l'émission Lyman-alpha est systématiquement plus étendue que l'émission UV et la galaxie, et que les propriétés des halos d'hydrogène sont liées aux propriétés des galaxies hôtes. De plus le pic spatial d'émission Lyman-alpha n'est pas toujours coincident avec l'émission UV de la galaxie principale. • Les profils des raies Lyman-alpha émergentes sont très variés. Ces variations sont le témoin des multiples caractéristiques que peut prendre du milieu circumgalactique d'une source à l'autre et des diffusions successives des photons à travers le nuage d'hydrogène. • Le milieu circumgalactique n'est pas homogène et isotrope. L'étude résolue des variations des paramètres de l'émission Lyman-alpha à travers le halo a montré que les propriétés de la distribution en hydrogène neutre varient à l'intérieur même du CGM. La comparaison avec les simulations a permis d'identifier plusieurs scénarios physiques qui pourraient expliquer les différents résultats obtenus. Parmi ces scénarios, les vents stellaires, les variations de la distribution d'hydrogène, l'émission de galaxies satellites ou en court de fusion et l'influence de la structure grumeleuse de la formation stellaire ont été particulièrement discutés. Enfin les perspectives de ce travail de thèse et les futurs projets instrumentaux attendus dans ce domaine sont présentés à la fin de ce manuscrit.

Galaxies are surrounded by a copious amont of extended gas, mostly composed of neutral hydrogen. This area, called the circumgalactic medium (CGM), is the place of gas exchanges between the host galaxy and its close environnement, and so the CGM is a crucial région to observe to understand the processus involved in the formation and evolution of galaxies. This study is very important to determine how these different physical processes are in play. This thesis study, through spectroscopic and photometric observations, the circumgalactic medium of very distant galaxies (z>3) thanks to the Lyman-alpha emission. Considering the low surface brightness of these sources and the detection limits of individual objects, all the sources were observed through the gravitational lensing effect to take benefit of the magnification effect. To perform this work, a sample of 17 galaxy clusters was built. All these clusters were observed with both the Hubble Space Telescope and the MUSE instrument on the VLT. Thanks to these observations, a complete redshift catalogues and a very detailed mass model were constructed for each cluster. The Lensed Lyman-Alpha MUSE Arc Sample (LLAMAS) was constructed from all the Lyman-alpha emitters detected in these catalogues with a robust redshift measurement (602 LAEs). The study of this sample has shown that: - The circumgalactic medium is a complexe medium, across which various physical processes could occur. The spatial study of each galaxy has confirmed that the Lyman-alpha emission is always more extended that the UV one, and that the Lyman-alpha haloes properties were correlated to the host galaxies characteristics. Besides, the spatial peak of Lyman-alpha emission is note necessary spatially consistent with the UV emission of the main galaxy. - The sources present a large diversity of Lyman-alpha line profiles. These different profiles are the witness of the different properties the circumgalactic medium can have and of the multiple scattering of the Lyman-alpha photons across the halo. - The circumgalactic medium is not homogeneous and isotrope. The resolved study of the variations of the Lyman-alpha line parameters across the halo has shown that the neutral hydrogen distribution properties can vary inside the CGM. The comparison of these results with numerical simulations allowed to identify different scenarios which could explain the results obtained. Among them, the galactic outflows, neutral hydrogen distribution, Lyman-alpha emission from satellite galaxies, and the clumpiness of the star formation distribution were mostly discussed. Finally, the prospects of this thesis work, as well as the futur instrumental projects waited for this research topic are presented.