JWST : De l'élaboration d'un catalogue infrarouge à l'étude des galaxies poussiéreuses lointaines

JWST : From a super-deblended infrared catalog to the study of high redshift dusty star-forming galaxies

• Auteur / Autrice : Aurélien Le Bail
• Direction : Emanuele Daddi
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Astronomie et Astrophysique
• Date : Soutenance le 18/09/2023
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Astronomie et astrophysique d'Île-de-France (Meudon, Hauts-de-Seine ; 1992-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Astrophysique Instrumentation Modélisation (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 2005-....)
• Partenaire(s) de recherche : référent : Université Paris-Saclay. Faculté des sciences d’Orsay (Essonne ; 2020-....)
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Physique (2020-….)
• Jury : Président / Présidente : Simona Mei
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Johan Peter Uldall Fynbo, Arjen Van der Wel, Laure Ciesla, Jérémy Fensch
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Johan Peter Uldall Fynbo, Arjen Van der Wel

Mots clés

Mots clés contrôlés

Sources de rayonnement infrarouge

Astronomie infrarouge

Sursauts de formation d'étoiles

Galaxies -- Catalogues

Bulbes galactiques

Galaxies actives

Galaxies -- Évolution

Mots clés libres

Galaxie

Formation

Evolution

Bulbe

Formation d'étoiles

Galaxy

Formation

Evolution

Bulge

Star-Formation

Résumé

Le jour de Noël 2021, le télescope spatial le plus puissant jamais construit par l'humanité a été envoyé dans l'espace. Ce télescope, le James Webb, avec son immense miroir et sa grande sensibilité dans l'infrarouge, promettait de révolutionner notre compréhension de l'Univers. Dans le cadre de la collaboration CEERS dirigée par S. Finkelstein, et afin d'être prêts dès la réception des premières images du télescope, j'ai construit un catalogue de sources brillantes dans l'infrarouge lointain (24μm - 1.1mm). Pour ce faire, j'ai appliqué la méthode de pointe du "super-débruitage" développée par E. Daddi, D. Liu et S. Jin. Cette méthode repose sur une sélection active des sources à fitter basée sur des prédictions issues du fit de la distribution spectrale d'énergie (SED) de chaque galaxie. Ainsi, en mesurant des flux dans des images de plus en plus confuses, j'ai pu sélectionner les sources que je savais être les plus brillantes. Afin de mesurer les flux les plus réalistes possible, j'ai effectué des simulations de type Monte-Carlo pour corriger les biais de mesure et obtenir des incertitudes quasi-gaussiennes. Pour construire ce catalogue, j'ai exploité toutes les images prises par différents télescopes IR spatiaux et terrestres, à savoir Spitzer, Herschel, JCMT, LMT et le VLA, ce dernier permet une meilleure sélection des sources, en particulier à grand redshift.Sur la base de ce catalogue, qui est le catalogue infrarouge lointain le plus profond existant dans le champ EGS, j'ai sélectionné les sources les plus brillantes afin de les étudier à travers l'œil du JWST.J'ai étudié la morphologie et les propriétés physiques d'un échantillon de 22 galaxies poussiéreuses formant activement des étoiles (DSFG) sélectionnées dans l'IR au midi cosmique (z ≈ 2), en utilisant les images de la caméra proche infrarouge du JWST obtenues dans le champ EGS pour CEERS.La résolution des images NIRCam m'a permis de résoudre spatialement ces galaxies jusqu'à 4.4μm et d'identifier leur bulbe/noyau même lorsqu'elles étaient très éteintes par la poussière.Sur la base d'images rouge-vert-bleues utilisant les filtres F115W, F200W et F444W, j'ai divisé chaque galaxie en plusieurs régions uniformément colorées, fitté leur SED respective et mesuré leurs atténuations due à la poussière, leur masses stellaires, leur taux de formation d'étoiles et leurs âges. Après avoir classé chaque région comme étant active ou passive, j'ai réparti les galaxies en trois classes, selon que la formation active d'étoiles était située dans le noyau, dans le disque ou dans les deux. Les principaux résultats sont les suivants :(i) ≈ 70% de mes DSFGs ont un noyau actif compact fortement atténué par la poussière et qui peut contenir jusqu'à 80% de la formation d'étoiles de la galaxie mais seulement 20-30% de sa masse stellaire, et qui est toujours entouré d'un disque massif plus grand et moins atténué ;(ii) 64 % (27 %) des disques sont significativement (fortement) désaxés, probablement en raison d'une accrétion asymétrique de gaz froid, de fusions majeures et/ou d'instabilités à grande échelle ; (iii) 23% des galaxies ont un cœur actif au sein d'un disque éteint, elles subissent une extinction de l'extérieur vers l'intérieur, souvent facilitée par leur forte asymétrie qui induit des instabilités à petite et à grande échelle ; (iv) certaines galaxies abritent des disques très hétérogènes en termes de couleurs RVB : ces disparités sont le résultat d'une atténuation inhomogène de la poussière ; et (v) j'ai trouvé des preuves surprenantes de l'existence de sous-structures en forme d'amas globulaire dans des régions éteintes.Le travail réalisé dans le cadre de cette thèse démontre l'incroyable puissance du JWST ainsi que son impact, puisqu'il permet pour la première fois de sonder les galaxies lointaines dans l'infrarouge et de les résoudre spatialement, permettant ainsi de révéler la complexité de leur formation et de leur évolution.

On Christmas Day 2021, the most powerful space telescope ever built by mankind was sent into space. This telescope, the James Webb, with its huge mirror and high sensitivity in the infrared promised to revolutionize our understanding of the distant Universe. Within the framework of the CEERS collaboration led by S. Finkelstein, and in order to be fully prepared for the reception of the first images of the telescope, I built a catalog of bright sources in the far infrared (24μm - 1.1mm). To achieve this, I applied the state-of-the-art "super-deblending" method developed by E. Daddi, D. Liu and S. Jin. This method relies on an active selection of priors to fit based on predictions from spectral energy distribution (SED) fitting of each galaxy. Thus, by measuring fluxes in more and more confused images, I was able to select only the sources that I knew would be the brightest. In order to measure the most realistic fluxes, I performed Monte-Carlo simulations to correct the measurement bias and obtain Gaussian uncertainties. To build this catalog, I exploited all the images taken by different space-based and ground-based IR telescopes, namely Spitzer, Herschel, JCMT, LMT and the VLA for the radio allowing a better selection of priors, especially at high redshift.Based on this catalog, which is the deepest existing far-infrared catalog in the EGS field (which is the field of interest in this manuscript), I selected the brightest sources around cosmic noon (1.5 < z < 3) in order to study them through the eye of the James Webb Space Telescope.I investigated the morphology and physical properties of a sample of 22 IR-selected dusty star-forming galaxies (DSFGs) at Cosmic Noon (z ≈ 2), using JWST Near Infra-Red Camera images obtained in the EGS field for the CEERS survey.The exceptional resolution of the NIRCam images allowed me to spatially resolve these galaxies up to 4.4μm and identify their bulge/core even when very extinguished by dust.Based on red-green-blue images using the F115W, F200W and F444W filters, I divided each galaxy in several uniformly colored regions, fitted their respective SED and measured dust attenuations, stellar masses, star formation rates and ages. After classifying each region as star-forming or quiescent, I assigned galaxies to three classes, depending on whether active star-formation was located in the core, in the disk or in both. The main results are:(i) ≈ 70% of my DSFGs have a compact highly dust attenuated star-forming core that can contain up to 80% of the star-formation of the galaxy but only 20-30% of its stellar mass, and is always surrounded by a larger, less attenuated massive disk (no blue nuggets);(ii) 64% (27%) of disks are significantly (strongly) lopsided, likely due to asymmetric cold gas accretion, major mergers and/or large scale instabilities; (iii) 23% of galaxies have a star-forming core embedded in a quiescent disk, they are undergoing outside-in quenching, often facilitated by their strong lopsidedness inducing small and large scale instabilities; (iv) some galaxies host highly heterogeneous disks in terms of RGB colors: these are driven by in-homogeneous dust attenuation; and (v) I found surprising evidence for clump-like substructures being quiescent and/or residing in quiescent regions.The work carried out as part of this thesis demonstrates the incredible power of the JWST and its impact, as it enables for the first time to probe distant galaxies in the infrared and resolve them spatially, revealing the complexity of their formation and evolution.