Propriétés Résolues des Galaxies Fortement Lentillées

Resolved properties of high redshift lensed galaxies

• Auteur / Autrice : Vera Patricio
• Direction : Johan Richard
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 26/09/2017
• Etablissement(s) : Lyon
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de Physique et Astrophysique de Lyon (Lyon ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre de Recherche Astrophysique de Lyon (1995-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Université Claude Bernard (Lyon ; 1971-....)
• Jury : Président / Présidente : Laurence Tresse
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Miroslava Dessauges, Mathieu Puech
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Philippe Amram, Mark Swinbank

Mots clés

Mots clés contrôlés

Galaxies -- Amas

Spectrographes

Lentilles gravitationnelles

Galaxies -- Évolution

Mots clés libres

Extra-galactique

Extra-galactic

Résumé

L'étude des propriétés résolues des galaxies lointaines peut apporter des connaissances fondamentales sur les processus qui gouvernent l'évolution des galaxies tout au long de la vie de l'Univers. Par exemple, ces études peuvent nous aider à mieux comprendre si une galaxie a fusionné avec une autre dans le passé, à tester de nouvelles hypothèses concernant la distribution de matière (noire et visible) dans les galaxies et aussi à étudier la densité et composition chimique du gaz. Pendant longtemps, ces études étaient coûteuses et assez peu efficaces (d'un point de vue observationel), vu qu'elles obligeaient à faire plusieurs observations discontinues du même objet. Mais dans les trois dernières décennies, grâce aux développements instrumentaux qu'on permis la construction d'une nouvelle classe de spectrographes -- les Spectrographes de champ Intégral -- il est finalement devenu relativement simple d'avoir une vraie vision tridimensionnelle des galaxies et de mesurer les variations spatiales de propriétés comme la cinématique, le taux de formation stellaire et la métallicité. Néanmoins, ces études résolues restent encore difficiles à faire pour des galaxies lointaines, que sont la plupart du temps très petites sur le ciel et très faibles. Une méthode qui peut aider à mener ces études est d'observer objets derrière des amas de galaxies. Les amas, à cause de leur masse très élevé, forment des lentilles gravitationnelles qui augmentent la brillance des objets derrière eux, fonctionnant comme un 'télescope cosmique'. L'effet peut aussi 'étendre' les objects dans le ciel, ce que permet d'analyser des échelles spatiales plus petites qu'en observant des galaxies non lentillées. Au cours de ma thèse, j'ai analysé les propriétés résolues de huit de ces objects très magnifiés par des amas de galaxies. Dans la première partie de ce manuscrit, je présente un ensemble de 7 arcs gravitationnels: des galaxies extrêmement étendues et magnifiées mais qui restent représentatives des galaxies typiques de ce temps cosmique, il y a 6 - 9 Gyr. Tout ces galaxies sont des disques en rotation avec des masses entre109 et 1011 M⊙ et taux de formation stellaires de 3 - 50 ⊙/yr. À partir de la émission [OII], les champs de vitesse et de dispersion de vitesse de ces 7 objets ont été mesurés, ce que nous a permis de conclure que toute ces galaxies sont dominées par rotation. En prenant en compte les effets de distorsion de lentille gravitationnelles, les meilleurs paramètres pour trois modèles différents -- le modèle arc tangente, sphère isotherme et disque exponentiel -- on été dérivés pour chaque galaxie. Je conclus que le modèle de sphère isotherme, qui suppose que la masse de la galaxie est dominée par la distribution de la matière noire, décrit marginalement mieux le champ de vitesse de 3 de ces 7 galaxies que les deux autres modèles. Dans la deuxième partie du manuscrit, une jeune galaxie à z=3.5, avec une masse de M* = 6 x 109 M⊙, est étudiée. Avec des données MUSE, les propriétés résolues de la raie Lyα et aussi, pour la première fois, de les raies de CIII] on été dérivées. Le rapport signal sur bruit du spectre obtenu par la combinaison de différentes images multiples révèle des raies d'émission et d'absorption UV qui sont rarement vues dans des galaxies aussi lointaines. Ces raies ont permis d'estimer les propriétés physiques du gaz de cette galaxie (Te~15600 K, ne~300 cm-3, fraction de couverture f~0.4). L'émission Lyα s'étend à plus de 10 kpc autour de l'émission du continu et révèle un profil spectral très uniforme, avec de petites variations non liées à la cinématique de la galaxie mesurée avec les raies d'emission non résonantes. La raie spectrale et le profil de brillance de surface Lyα observés ont été modélisés avec un modèle de transfert radiatif dans un milieu sphérique de gaz en expansion. Je conclus qu'un modèle simple de ce type peut décrire simultanément correctement ces deux observables

Spatially resolved studies of high redshift galaxies can provide essential insight into the inner processes that shape galaxies thought cosmic time. Amongst others, they can allow us to better constrain the merger history of a galaxy, to test hypotheses on the distribution of the underlying mass, to study the density and dust distribution in the neutral gas of early galaxies, or to study the chemical evolution within a disc galaxy. Only in recent decades, thanks to the advent and developments of Integral Field Spectrographs (IFS), it became possible to have this truly 2D vision of galaxies and to 'map' properties such as kinematics, star formation rates and metallicity. Nevertheless, high redshift galaxies that are dimmer due to their distance, are still hard to analyse. A method that allows to overcome this issue is to target objects in the background of strongly lensing clusters. These clusters act as a cosmic telescopes, boosting the total flux of these objects and 'extending' them on the sky, allowing us to study them in a manner would otherwise be only possible with the new generation of telescopes. In my thesis, I present the analysis of 8 of such strongly lensed objects. The first part of the manuscript focuses on a sample of 7 gravitational arcs: extremely extended and magnified but otherwise normal galaxies. These galaxies are magnified by 7 different clusters and have redshifts that range from 0.6 to 1.5 (between 6 to 9 Gyrs ago). These are all rotating discs with masses ranging from 109 to 1011 M⊙ and star formation rates between 3 to 50 M⊙ / yr. While 3 of these galaxies -- AS1063, A370 and MACS0416 -- are star formation main-sequence galaxies, lying less than 0.05 dex away from the Fundamental Metallicity Plane, the remaining four deviate up to 0.4 dex. The global metallicities, measured from several emission lines ratios, are super solar (8.81 to 9.08 [12 + log(O/H)]) and on two objects we measure a metallicity gradient of -0.03 [12+log(O/H)/ kpc] and -0.01 [12+log(O/H)/ kpc]. We measure the ionised gas 2D velocity field and velocity dispersion via strong emission lines (mainly [OII]) finding that all of these galaxies are rotation dominated with V/σ ratios between 2 and 9. Accounting for lensing effects, we fit these observed velocity fields using three kinematic models: the arctangent model, the isothermal sphere and exponential disc. We conclude that the isothermal sphere model is marginally a better fit to 4 of the 7 galaxies in our sample, the exponential disc to 2 and 1 by the arctangent model. The second part of the manuscript focuses on a typical (L*, M* = 6 x 109 M⊙) young lensed galaxy at z=3.5, observed with MUSE, for which we obtain 2D resolved spatial information of Lyα and, for the first time, of CIII] emission. The exceptional signal-to-noise of the data reveals UV emission and absorption lines rarely seen at these redshifts, allowing us to derive important physical properties (Te~15600 K, ne~300 cm-3, covering fraction f~0.4) using multiple diagnostics. Inferred stellar and gas-phase metallicities point towards a low metallicity object. The Lyα emission extends over ~10 kpc across the galaxy and presents a very uniform spectral profile, showing only a small velocity shift which is unrelated to the intrinsic kinematics of the nebular emission. The Lyα extension is ~4 times larger than the continuum emission, and makes this object comparable to low-mass LAEs at low redshift, and more compact than the Lyman-break galaxies and Lyα emitters usually studied at high redshift. We model theLyα line and surface brightness profile using a radiative transfer code in an expanding gas shell, finding that this model provides a good description of both observables