Formation et évolution des galaxies de faible masse, de l'univers local aux décalages spectraux intermédiaires

Formation and evolution of the low-mass galaxies, from the local to the intermediate redshift universe

• Auteur / Autrice : Adrien Guérou
• Direction : Thierry Contini, Eric Emsellem
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Astrophysique, sciences de l'espace, planétologie
• Date : Soutenance le 01/12/2016
• Etablissement(s) : Toulouse 3
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de l’univers, de l’environnement et de l’espace (Toulouse)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Étoiles -- Populations

Galaxies -- Évolution

Mots clés libres

Galaxies

Galaxies naines

Spectrographe intégral de champs

MUSE

Cinématique

Populations stellaires

Univers local

Décalage spectral intermédiaire

Résumé

Les galaxies de faible masse constituent la population de galaxies la plus nombreuse à tous les âges de l'Univers, et sont légitimement considérées dans un contexte cosmologique comme les "éléments fondamentaux" de la croissance des galaxies. Dans l'Univers local, les galaxies de faible masse se trouvent principalement dans des amas de galaxies où elles se forment à partir de processus complexes de formation in-situ et d'événements d' accrétion. Cependant, les détails de la formation des galaxies de faible masse et de leurs processus d'évolution, ainsi que leurs rôles exacts dans la formation des galaxies plus massives sont encore très peu contraints. Ceci est dû en particulier aux difficultés technologiques associées à leur observation. Après une introduction sur les connaissances actuelles des galaxies de faible masse, je présente l'étude d'un échantillon de huit galaxies compactes dans l'amas de la Vierge. À l'aide de leur cinématique et de propriétés telles que l'âge et la métallicité de leur population stellaire estimées avec les données du spectrographe intégral de champ (IFS) GMOS/Gemini, je démontre que les propriétés des populations stellaires évoluent de manière continue avec la taille des galaxies, leurs masses, ainsi qu'avec leurs environnements, et ceci à la fois pour les galaxies de faible et de grande masse. Cela suggère que l'ensemble des processus physiques qui contrôlent les caractéristiques des galaxies sont similaires quelle que soit la masse des galaxies, mais en revanche, leurs influences individuelles varient doucement suivant la taille et la masse des galaxies. J'estime ensuite les histoires de formation stellaire de ces huit galaxies compactes ainsi que celles d'un échantillon de 20 galaxies de faible masse, et présente une étude de leur dépandence par rapport à l'environnement et la masse des galaxies. Ainsi, grâce à cette étude, je mets en avant à la fois le rôle important de l'environnement mais également celui des galaxies les plus massives dans le contrôle de la formation et de l'évolution des galaxies de faible masse. Mais les processus d'évolution des galaxies sont complexes et les galaxies de l'Univers local sont seulement leurs produits finaux, ce qui ne donne que peu de contraintes sur l' évolution des galaxies au début de l'histoire de l'Univers. Je montre alors à l'aide d'observations de la galaxie NGC3115 obtenues avec l'IFS MUSE/VLT, que les cartes de cinématique et de populations stellaires de galaxies couvrant une grande surface et ayant une grande résolution spatiale sont des éléments clés pour révéler l'histoire d'assemblage de la masse des galaxies, et donc leur formation et leur évolution au cours de toute l'histoire de l'Univers. Pour mieux contraindre la formation des galaxies de faible masse, j'utilise donc les observations profondes de l'instrument MUSE/VLT dans le champ de Hubble (HDFS) pour étudier un échantillon de dix galaxies à des décalages spectraux intermédiaires. J' estime pour la première fois la cinématique stellaire de galaxies situées entre z ~ 0.2 - 0.7 et montre que le degré de rotation et de dispersion de vitesse stellaire est en accord avec les précédentes études portant sur la cinématique de leur gaz. De telles informations, confrontées aux modèles d'évolution de galaxies aideront ainsi à mieux comprendre la croissance en masse des galaxies ainsi que l'origine des galaxies de faible masse de l'Univers local.

Low-mass galaxies form the most numerous galaxy population in the Universe at all cosmic times, and are legitimately considered as the "building-blocks" of galaxy formation in a cosmological context. In the local Universe, low-mass galaxies are preferentially found in galaxy clusters where they form through a complex chain of in-situ formation and accretion events. However, the detailed formation and evolution processes of low-mass galaxies, and their exact roles in the formation of more massive galaxies are still poorly constrained, in particular due to challenging observations. After setting the scene with an introduction on our current understanding of low-mass galaxies, I present the study of a sample of eight compact low-mass galaxies in the Virgo cluster. I derive their stellar kinematics as well as the age and metallicity of their stellar content from GMOS/Gemini Integral Field Spectrograph (IFS) data, and demonstrate that the stellar population properties evolve smoothly with galaxy size, mass and environment over the full range of galaxy mass. This suggests that a similar set of physical processes is at play on both low- and high-mass galaxies, but the relative efficiency of each of these processes in shaping galaxies varies smoothly from the low- to the high-mass ends. I then derive their star formation histories as well as those of a sample of 20 more extended typical low-mass galaxies, and present a study of their dependencies on the environment and the mass of their host galaxy. As a result, I underline through this work that the environment as well as the most massive galaxies play an important role in controlling the formation and evolution of low-mass galaxies. But local galaxies only represent the end products of a complex evolution path, leaving ambiguity about the early evolution of galaxies. However, I then show with the help of IFS observations of the nearby galaxy NGC3115 obtained with MUSE/VLT, that two-dimensional maps of the kinematics and stellar populations of galaxies, with large spatial coverage and high spatial resolution, are keys to unveil their whole mass assembly history, and thus their formation and evolution through all cosmic times. Thus, to better constrain the evolution of low-mass galaxies, I use deep MUSE/VLT observations in the Hubble Deep Field South to study low-mass galaxies at intermediate redshift. I derive for the first time the spatially resolved stellar kinematics of a sample of ten galaxies at a redshift between z ~ 0.2 - 0.7, and show that the stellar rotation amplitude and velocity dispersion are in agreement with previous studies of their gas kinematics. Such information put into the light of current galaxy evolution models will help to better understand the growth of stellar mass in galaxies and the origins of today low-mass galaxies.