Remonter l'histoire cosmique de la formation des galaxies avec l'interféromètre ALMA

Tracing back the cosmic history of galaxy formation with the large ALMA interferometer

• Auteur / Autrice : Maximilien Franco
• Direction : David Elbaz
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique. Astronomie et astrophysique
• Date : Soutenance le 19/09/2019
• Etablissement(s) : Université Paris Cité
• 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-....)
• Jury : Président / Présidente : Isabelle Grenier
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : David Elbaz, Isabelle Grenier, Raffaella Schneider, Amélie Saintonge, Dave Alexander, Françoise Combes
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Raffaella Schneider, Amélie Saintonge

Mots clés

Mots clés contrôlés

Poussière cosmique

Télescope spatial Herschel

Astronomie infrarouge

Galaxies -- Évolution

Mots clés libres

NAG (Noyau Actif de Galaxie)

DSE (Distribution Spectrale d'Energie)

ALMA (Atacama Large Millimeter/Submillimiter Array)

Galaxies sombres

Galaxies à fort décalage vers le rouge

Galaxy evolution

ALMA (Atacama Large Millimeter/Submillimiter Array)

Infrared astronomy

Dust

AGN (Active Galactic Nucleus)

SED (Spectral Energy Distributions)

Herschel

Number counts

Optically-dark galaxies

High-redshift galaxies

Résumé

Le but de cette thèse a été de mieux comprendre l'histoire cosmique de la formation des galaxies grâce au plus grand sondage cosmologique réalisé avec l’interféromètre ALMA. Cette observation a été réalisée dans une région du ciel, le champ GOODS-Sud, qui bénéficie des observations les plus profondes du télescope spatial Hubble, des observatoires infrarouges Spitzer et Herschel, ainsi que des données de l’observatoire X Chandra et l’interféromètre radio VLA. Ces observations à 1.1mm avec ALMA complètent donc ce panorama multi-longueurs d’onde, et font de cette région du ciel un laboratoire de premier plan pour l’étude de l’évolution des galaxies.L’observation avec ALMA nous permet d’observer cette région du ciel sans être affecté par la limite de confusion qui affectait les observations du satellite Herschel, et de chercher des galaxies plus éloignées. Pour la première fois, nous pouvons étudier la formation d’étoiles obscurcie par la poussière à z > 2 sur une surface assez grande pour réduire les différents biais d’observation.Une grande partie de cette thèse a été consacrée à l’exploitation scientifique de cette image cosmologique à 1.1 mm. Pour ce faire, nous avons analysé les données interférométriques, caractérisé précisément le sondage, défini des seuils de détectabilité et des indicateurs permettant de quantifier la crédibilité des détections, et effectué des simulations. Nous avons ensuite extrait et identifié les galaxies présentes sur l’image. Cette analyse montre que les relevés ALMA peuvent révéler de nouvelles galaxies qui ne sont pas détectées par les relevés les plus profonds effectués avec le télescope spatial Hubble. Ces galaxies “sombres” comptent parmi les galaxies les plus massives et les plus distantes de cette région du ciel. La découverte de ces nouvelles galaxies sombres, qui représentent de l’ordre de 10 à 20 % des détections ALMA, suggère que le nombre de galaxies massives formant des étoiles dans l’univers lointain pourrait être beaucoup plus important que prévu. Ces travaux ont également permis de déterminer les propriétés des galaxies détectées par ALMA, à travers la modélisation de leurs distributions d’énergie spectrale : le taux de formation d’étoiles, les masses de gaz et de poussières, la température des poussières, le temps nécessaire à une galaxie pour consommer son gaz, la relation entre la luminosité infrarouge et la luminosité radio, l’excès de la composante infrarouge dans le spectre d’une galaxie. L’analyse de ces résultats suggère que les galaxies massives à fort décalage vers le rouge épuisent leur gaz par la formation d'étoiles et conduit à penser que ces galaxies sont les ancêtres idéales des galaxies passives à z∼2.

The aim of this thesis was to better understand the cosmic history of galaxy formation thanks to the largest cosmological survey with the large ALMA interferometer. This observation was preformed in a region of the sky, the GOODS-South field, which benefits from the deepest observations of the Hubble Space Telescope, the Spitzer and Herschel infrared space observatories, as well as data from the Chandra X-ray telescope and the VLA Radio Interferometer. These observations at 1.1mm with ALMA therefore complete this multi-wavelength panorama, and make this region of the sky a leading laboratory for the study of the evolution of galaxies. The observation with ALMA allows us to observe this region of the sky without being affected by the confusion limit that affected Herschel, and to search for more distant galaxies. For the first time, we can study dust-obscured star formation at z > 2 over a large enough area to reduce different observational biases.A large part of this thesis was devoted to the scientific exploitation of this 1.1mm cosmological image. This was done by analysing the image from the interferometric data, precisely characterising the survey, defining detectability thresholds and indicators that can quantify the credibility of detections, and carrying out simulations on these images. We then extracted and identified the galaxies present in the image.This analysis shows that ALMA surveys can reveal new galaxies that are not detected by the deepest surveys conducted with the Hubble Space Telescope. These ``dark" galaxies are among the most massive and distant galaxies in this region of the sky. The discovery of these new dark galaxies, which represent of the order of 10 - 20% of the ALMA detections, suggests that the number of massive star-forming galaxies in the distant universe may be much larger than previously expected. This work has also made it possible to determine properties of the galaxies detected by ALMA, through the modelling of their spectral energy distributions: the star formation rate, the masses of gas and dust, the dust temperature, the time required for a galaxy to consume its gas, the relationship between the infrared luminosity and the radio luminosity, and the excess of the infrared component in the spectrum of a galaxy. Analysis of these findings suggests that massive galaxies at high redshift consume their gas slowly to form stars and indicate that these galaxies are the ideal progenitors of passive galaxies at z∼2.