Caractérisation du candidat protoamas de galaxies PLCK G256.8-33.2 avec les données photométriques du VLT et de Spitzer

Characterisation of the PLCK G256.8-33.2 galaxy protocluster candidate with photometric data from VLT and Spitzer

• Auteur / Autrice : Thibaut Perdereau
• Direction : Hervé Dole
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Astronomie et Astrophysique
• Date : Soutenance le 14/09/2021
• 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 : Institut d'astrophysique spatiale (Orsay, Essonne ; 1990-....)
• Partenaire(s) de recherche : référent : Faculté des sciences d'Orsay
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Physique (2020-....)
• Jury : Président / Présidente : Nabila Aghanim
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Rémi Cabanac, Véronique Buat, Sophie Maurogordato, Matthieu Bethermin
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Rémi Cabanac, Véronique Buat

Mots clés

Mots clés contrôlés

Observations

Galaxies

Très grand télescope ESO

Galaxies -- Évolution

Galaxies -- Amas

Mots clés libres

Astrophysique

Cosmologie

Amas de galaxies

Protoamas de galaxies

Observation

Photométrie

Astrophysics

Cosmology

Galaxy cluster

Galaxy protocluster

Observation

Photometry

Résumé

L’Univers, à l’origine homogène et isotrope d’après l’observation du Fond Diffus Cosmologique, s’est structuré au fil du temps. De petites surdensités de matière, principalement de la matière noire, se sont développées par effondrement gravitationnel. Cet effondrement, appliqué à la matière baryonique, provoque la formation d’étoiles, de galaxies et même d’amas de galaxies. Cependant, la formation des structures, en particulier celle des amas de galaxies massifs, un est long processus. Des objets intermédiaires, appelés protoamas de galaxies, précèdent les amas de galaxies. Il s’agit des progéniteurs à grand redshift (z) des amas d’aujourd’hui à z = 0. Ces objets sont des laboratoires astrophysiques pertinents pour étudier les scénarios d’évolution des amas, comprendre le rôle de l’environnement dans l’évolution des galaxies et potentiellement donner des contraintes cosmologiques.Ces protoamas sont des structures larges et peu lumineuses, ce qui rend leur détection difficile. Il existe différentes sélections complémentaires afin de les observer et de les étudier. Parmi ces sélections, il y a le Planck high-z candidate catalogue (PHz). Cet échantillon de candidats protoamas est obtenu à partir des observations Planck et Herschel montrant des concentrations de galaxies formant beaucoup d’étoiles associées à un fort flux infrarouge (IR) et submillimétrique.L’un des candidats les plus prometteurs de PHz est PLCK G256.8-33.2 (G256). En effet, il contient deux sources Herschel dont la luminosité IR est d’environ 10¹³ luminosités solaires, et le taux de formation d’étoiles élevé de l’ordre de 10³ masses solaires par an chacune. Au même endroit se trouve une surdensité de sources rouges Spitzer, correspondant à des galaxies situées entre z = 1.3 et z = 3. Cette zone contenant simultanément ces deux sources Herschel et la surdensité Spitzer est appelée zone d’intérêt (AoI). L’objectif de cette thèse est donc de déterminer s’il y a un protoamas de galaxies sur cette AoI. Afin de répondre à cette question des observations en visible et en proche-infrarouge prises au VLT avec VIMOS et HAWK-I et prises avec IRAC/Spitzer sont utilisées.Ces observations permettent de construire un catalogue de galaxies multi-longueur d’onde, constitué de densités surfaciques de flux mesurées dans sept bandes photométriques : V, R, I, J, Ks, ch1 et ch2. Avec ces flux il est possible d’estimer le redshift photométrique des galaxies en appliquant la méthode du SED fitting. Les résultats obtenus montrent une surdensité sur l’AoI de galaxies à z = 1.3 et probablement à z = 2. Les potentielles galaxies membres du candidat protoamas sont alors sélectionnées parmi celles présentes sur cette AoI. Au total 56 galaxies entre z = 1 et z = 2.5 sont retenues sur l’AoI.Avec une analyse en couleur il est établi que la majorité des galaxies membres sont actives avec un fort taux de formation d’étoiles, ce qui est conforté avec l’absence d’une séquence rouge dans les diagrammes couleur-magnitude. Ce résultat est compatible avec la sélection initiale PHz. Ainsi la source G256 montre une surdensité significative sur l’AoI de galaxies actives à z = 1.3. Il est probable qu’il s’agisse d’un protoamas en cours de maturation tardive.Cependant des questions restent en suspens quant à certaines propriétés de G256. Pour aller plus loin dans l’analyse, il serait nécessaire d’obtenir les spectres des 56 galaxies membres en IR avec le VLT, ou dans le millimétrique avec ALMA.Le satellite Euclid, qui sera lancé en 2023, observera environs 15000 deg² du ciel. Ce relevé sera l’occasion de détecter de nouvelles structures comme des protoamas de galaxies. Une partie de cette thèse porte sur la détectabilité des structures similaires à G256 avec Euclid. L’étude montre que si les galaxies seront bien détectées, il sera nécessaire de développer un algorithme de détection propre aux protoamas de galaxies.

The Universe, originally homogeneous and isotropic according to the observation of Cosmic Microwave Background, became structured over time. Small matter overdensities, mainly dark matter, have grown through gravitational collapse. This collapse, applied to baryonic matter, triggers the formation of stars, galaxies and ever galaxy clusters. However, the structures formation, especially the massive galaxy clusters formation, is a long process. Intermediate objects, called galaxy protoclusters, precede galaxy clusters. These are the progenitors at high redshift (z) of today’s clusters at z = 0. These objects are relevant astrophysical laboratories for studying cluster evolution scenarios, for understanding the environment impact on the galaxy evolution and possibly providing cosmological constraints.These galaxy protoclusters are large and faint structures, thus difficult to detect. There are several complementary selections to observe and study them. Among these selections, is the Planck high-z candidate catalogue (PHz). This sample of protocluster candidates is based on Planck and Herschel observations showing overdensities of star-forming galaxies associated with strong infrared (IR) and submillimetre flux.One of the most promising candidates from PHz is PLCK G256.8-33.2 (G256). It indeed contains two Herschel sources with a strong IR luminosity of about 10¹³ Solar luminosities, and a high star formation rate of about 10³ Solar masses per year for each source. At the same location there is an overdensity of red Spitzer sources, corresponding to galaxies between z = 1.3 and z = 3. This area containing both Heschel sources and the Spitzer overdensity is called the area of interest (AoI). The purpose of this thesis is therefore to determine whether there is a protocluster of galaxies in this AoI. To answer this question, visible and near-infrared observations taken at the VLT with VIMOS and HAWK-I and taken with IRAC/Spitzer are used.These observations are used to produce a catalogue of multi-wavelength galaxies, made up of flux densities measured in seven photometric bands: V, R, I, J, Ks, ch1 and ch2. With these fluxes it is possible to estimate the photometric redshift of galaxies by applying the SED fitting method. The obtained results show an overdensity on the AoI of galaxies at z = 1.3 and probably at z = 2. The potential galaxy members of the protocluster candidate are then selection among those present in this AoI. A total of 56 galaxies between z = 1 and z 2.5 are selected on the AoI.From a colour analysis it is found that most of the galaxy members are active with a high star formation rate, which is supported by the absence of a red sequence in colour-magnitude diagrams. This result is consistent with the initial PHz selection. Thus, the source G256 shows a significant overdensity of active galaxies in the AoI at z = 1.3. It would therefore appear to be a late maturing galaxy protocluster.However, questions are still open about some of the properties of G256. To go further in the analysis, it would be necessary to obtain the spectra of the 56 selected galaxy members in IR with the VLT, or in the millimetre range with ALMA.The Euclid satellite, which will be launched in 2023, will observe about 15000 deg² of the sky. This survey will be an opportunity to detect new structures such as galaxy protoclusters. Part of this thesis focuses on the detectability of G256-like structures with Euclid. The study shows that if the galaxies will be well detected, it will be necessary to develop a detection algorithm specific to galaxy protoclusters.