The CARLA-Hubble survey : spectroscopic confirmation and galaxy stellar activity of rich structures at 1.4 < z < 2.8

par Gaël Noirot

Thèse de doctorat en Physique. Astronomie, Astrophysique

Sous la direction de Simona Mei et de Joël Vernet.

Le président du jury était Florence Durret.

Le jury était composé de Simona Mei, Joël Vernet, Florence Durret, Véronique Buat, Adriano Fontana.

Les rapporteurs étaient Véronique Buat, Adriano Fontana.

  • Titre traduit

    Le programme CARLA-Hubble : confirmation spectroscopique, et activité stellaire des galaxies, de structures riches à 1.4 < z < 2.8


  • Résumé

    Les études détaillées d'amas de galaxies confirmés à grands redshifts sont peu nombreuses. L’objectif de cette Thèse est d’établir le premier catalogue d'amas confirmés spectroscopiquement à grand redshift et, pour la première fois à ces redshifts, d’étudier de manière statistique les propriétés des galaxies membres des amas. Dans cette Thèse, nous caractérisons et étudions 20 candidats amas à redshifts 1.4 < z < 2.8 parmi les candidats les plus prometteurs de l’échantillon CARLA. Nous réduisons et analysons des données spectroscopiques grism sans fente et imagerie proche-infrarouge des amas candidats, obtenues avec le télescope spatial Hubble. Nous mesurons plus de 700 redshifts au sein des champs observés, et confirmons spectroscopiquement 16 amas CARLA dans l’intervalle 1.4 < z < 2.8; ces amas sont associés à des noyaux galactiques actifs à fortes émissions radios (RLAGN) en leur centre, par sélection. Cet effort fait plus que doubler le nombre d’amas confirmés à ces redshifts. Nous étudions également le taux de formation stellaire des galaxies membres des amas en fonction de leur masses stellaires, et de la distance aux RLAGN. Nous trouvons que les galaxies membres massives sont situées sous la séquence principale jusqu’à z=2, ce qui suggère déjà à ces redshifts une évolution accélérée des galaxies massives au sein des amas. Nous trouvons également une concentration plus importante de membres actifs à plus petits rayons des RLAGN, jusqu’à z=2. Ceci est en accord avec un renversement de la relation densité vs. taux de formation stellaire pour nos amas CARLA à 1.4 < z < 2.0, ce qui suggère que les amas CARLA représentent une phase de transition de l’évolution des galaxies au sein des amas. Nous étudions également les populations stellaires de deux de nos amas confirmés à redshift z=2.0. Nous analysons les relations couleurs-couleurs et couleurs-magnitudes de ces deux amas et montrons que l’une des structures à z=2 possède une séquence rouge de galaxies passives. Globalement, nos résultats démontrent que les amas CARLA représentent des structures riches comprenant des populations mixtes de galaxies évoluées et massives sans formation stellaire, et des galaxies actives formant des étoiles. Cet échantillon sans précédent de 16 amas confirmés spectroscopiquement dans l’intervalle de redshift 1.4 < z < 2.8 constitue un échantillon idéal pour étudier statistiquement la phase de transition des amas de galaxies, ainsi que les mécanismes de suppression de la formation stellaire. (Abrégé)


  • Résumé

    Detailed studies of high-redshift confirmed galaxy clusters are based on a few individual objects. In this Thesis, we therefore aim at building the first sample of spectroscopically confirmed clusters at high-redshifts and, for the first time at these redshifts, statistically infer cluster member galaxy properties. In this Thesis, we study and characterize 20 cluster candidates at redshifts 1.4 < z < 2.8, which represent the most promising cluster candidates from the CARLA sample. We reduce and analyze slitless grism spectroscopic and near-infrared imaging data of the fields, obtained with the Hubble Space Telescope. We measure redshifts for over 700 star-forming sources in the 20 fields, and we spectroscopically confirm 16 CARLA clusters in the range 1.4 < z < 2.8; by selection, these clusters are associated with powerful radio-loud active galactic nuclei (RLAGN) at their center. This effort alone more than doubles the number of confirmed clusters at these redshifts. We study cluster member star-formation rates (SFRs) as a function of their stellar masses and distances from the RLAGN. We find that massive members are located below their star-forming main-sequence up to z=2. This implies that the massive star-forming end of the cluster population already followed an accelerated evolution at these high redshifts. We also find an increasing concentration of star-forming members with smaller radii relative to the RLAGN, at all redshifts up to z=2. Our 1.4 < z < 2.0 cluster members are therefore consistent with a reversal of the SFR-density relation. This is a first evidence showing that CARLA clusters represent a transition phase for cluster galaxy evolution. We also study stellar populations of two of our confirmed CARLA clusters at z=2.0. We study their color-color and color-magnitude relations and show that one of the two structures is comprised of a z=2 red sequence of passive candidate members. Together, these results provide clear evidence that our confirmed CARLA clusters represent rich structures comprised of mixed populations, including both evolved, passive, massive galaxies, and galaxies with ongoing star formation. Together, this unprecedented sample of 16 confirmed clusters at 1.4 < z < 2.8 constitutes an ideal sample for further statistical investigation of the cluster transition phase, including study of quenching mechanisms. (Abridged)

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