Physique des régions de formation stellaire géantes des galaxies primordiales

Physic of giant star-forming regions in primordial galaxies

• Auteur / Autrice : Baptiste Faure
• Direction : Frédéric Bournaud
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique de l'univers
• Date : Soutenance le 16/09/2021
• Etablissement(s) : Université Paris Cité
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la terre et de l'environnement et physique de l'univers (Paris ; 2014-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Astrophysique Instrumentation Modélisation (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 2005-....)
• Jury : Président / Présidente : Isabelle Grenier
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Frédéric Bournaud, Isabelle Grenier, Marta Volonteri, Benoit Famaey, Jérémy Fensch, Johan Richard
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Marta Volonteri, Benoit Famaey

Mots clés

Mots clés contrôlés

Simulation par ordinateur

Astrophysique

Formation stellaire

Grand redshift

Galaxies -- Évolution

Mots clés libres

Galaxies : morphologies

Galaxies : évolution

Galaxies : haut-Redshift

Simulations numériques

Galaxies: morphologies

Galaxies: evolution

Galaxies : high-Redshift

Numerical simulations

Résumé

L'objectif de cette thèse est d'étudier la morphologie des galaxies lorsque l'Univers n'avait que 3 milliards d'années, au pic de la formation stellaire. Les galaxies à formation d'étoiles typiques de cette époque présentent une morphologie particulière lorsqu'elles sont observées dans l'UV émis. En effet, on y aperçoit de grandes structures sphériques, appelés clumps. Ces structures possèdent des masses stellaires de l'ordre de 10^8~10^9 masses solaires et ont une taille typique de l'ordre du kiloparsec, ce qui les rend bien distinctes des structures trouvables dans les galaxies à formation d'étoiles de l'Univers local qui sont 100 à 1000 fois moins massives. Les clumps géants sont considérés comme étant le centre de la formation stellaire des galaxies à haut redshift, mais des observations récentes, notamment du gaz avec le Grand Réseau d'Antennes Millimétrique/submillimétrique de l'Atacama (ALMA), ne détectent pas ces structures et remettent donc en question le fait que ce soit les nourricières d'étoiles. Les observations de ces galaxies lorsqu'elles sont fortement lentillées par la gravité remettent aussi en question leur existence, les structures étant détectées sont moins massives que les clumps géants laissant supposer que l'observation de ces derniers est due à un manque de résolution. Des questions plus théoriques se posent sur les clumps géants. Ainsi, l'évolution des clumps géants et leur temps de survie est en débat : soit ils sont détruits rapidement par la rétroaction stellaire et les forces de cisaillements soit ils survivent et migrent vers le centre de la galaxie pour nourrir le bulbe. L'étude de cette thèse se présente en deux temps. Premièrement nous réalisons des simulations numériques de galaxies isolées avec le code hydrodynamique à adaptation de grille RAMSES afin de simuler des observations : les observations de l'UV émis avec le HST, les observations de galaxies fortement lentillées aussi dans l'UV émis avec le HST et les observations sous-millimétriques avec ALMA. Nous nous assurons ainsi que les galaxies simulées sont considérées comme "clumpy", à l'instar des galaxies à formation d'étoiles à haut redshifts. Il apparait que ces galaxies clumpy possèdent une structure hiérarchique : les clumps géants sont des structures gravitationnellement liées composées de sous-structures et de gaz entre ces structures. Ce sont ces sous-structures qui sont détectées lors d'observations de galaxies lentillées et ce sont elles qui pourraient être détectées par des observations à haute résolution avec ALMA. Ainsi, la non détection des structures par les observations ALMA à haute résolution engendrant des limites supérieures dans les taux de formation stellaire des clumps géants qui devraient être comparées au taux de formation stellaire prévu dans les sous-structures et non dans les grumeaux géants. Nous étudions également les mécanismes de formations des grumeaux géants, puisqu'ils sont composés de sous-structures il est important de se demander si ces dernières se sont formées en premier puis ce sont agglomérées pour former les clumps géants ou si les clumps géants se sont formés en premier puis effondrés en sous-structures. Pour étudier cette question, nous avons forcé nos simulations de galaxies à former leurs clumps avec un scénario ou l'autre puis avons étudié leur état final et mesuré les paramètres jugés pertinents afin de déterminer si l'état initial des clumps est détectable dans l'état final sans succès. Dans un second temps, nous étudions des observations de galaxies clumpy avec le HST afin de déterminer si les clumps géants sont effectivement leurs régions de formation stellaire principales. Ainsi, en soustrayant le disque du calcul des taux de formation stellaire, nous pouvons déterminer un taux réel pour les clumps géants et comparer ces valeurs à celles trouver dans les simulations ou avec les observations ALMA.

The goal of this thesis is to study the morphology of galaxies when the Universewas only 3 billion years old, at the peak of stellar formation. Typical star-forming galaxies of this period have a particular morphology when observed in the UV restframe. Large spherical structures, called clumps, can be seen. These structures have stellar masses of the order of 10^8~10^9 solar masses and a typical size of the order of a kiloparsec, which makes them quite distinct from the structures found in starforming galaxies in the local Universe which are 100 to 1000 times less massive. Giant clumps are considered to be the center of star formation in high-redshift galaxies, but recent observations, notably of gas with the Atacama Large Millimetre/submillimetre Array (ALMA), do not detect these structures and therefore call into question whether they are the star nurseries. Observations of these galaxies when they are strongly lensed by gravity also call into question their existence, as the structures detected are less massive than the giant clumps, suggesting that the observation of the latter is due to a lack of resolution. More theoretical questions arise about giant clumps. For example, the evolution of giant clumps and their survival time is under debate : either they are quickly destroyed by stellar feedback and shear forces or they survive and migrate towards the center of the galaxy to feed the bulge. The study in this thesis is presented in two parts. First, we perform numerical simulations of isolated galaxies with the grid-adaptive hydrodynamic code RAMSES in order to simulate observations : HST observations of the emitted UV, HST observations of strongly lensed galaxies also in the emitted UV, and ALMA sub-millimeter observations.We thus ensure that the simulated galaxies are considered as "clumpy", like star-forming galaxies at high redshifts. It appears that these clumpy galaxies have a hierarchical structure : the giant clumps are gravitationally bound structures composed of substructures and the gas between these structures. It is these substructures that are detected in observations of lensed galaxies and it is these that could be detected by high-resolution observations with ALMA. Thus, the nondetection of the structures by high-resolution ALMA observations leads to upper limits in the star formation rates of giant clumps that should be compared to the expected star formation rate in substructures and not in giant clumps. We are also studying the mechanisms of formation of the giant clumps, since they are composed of substructures it is important to ask whether the substructures formed first and then agglomerated to form the giant clumps or whether the giant clumps formed first and then collapsed into substructures. To investigate this question, we forced our simulations of galaxies to form their clumps with one scenario or the other. We then studied their final state and measured the parameters deemed relevant to determine whether the initial state of the clumps is detectable in the final state without success. In a second step, we are studying observations of clumpy galaxies with HST to determine whether the giant clumps are indeed their main star-forming regions.Thus, by subtracting the disc from the calculation of star formation rates, determine a real rate for the giant clumps and compare these values with those found in simulations or with ALMA observations.