Evolution cosmologique du taux de fusion des galaxies à partir des champs profonds MUSE

Cosmological evolution of the galaxy merger rate from MUSE deep fields

• Auteur / Autrice : Emmy Ventou
• Direction : Thierry Contini, Benoît Epinat
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Astrophysique, sciences de l'espace, planétologie
• Date : Soutenance le 21/12/2018
• Etablissement(s) : Toulouse 3
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de l’univers, de l’environnement et de l’espace (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de recherche en astrophysique et planétologie (Toulouse ; 2011-....)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Décalage vers le rouge

Galaxies -- Évolution

Mots clés libres

Evolution des galaxies

Galaxies à grand redshift

Interactions de galaxies

Galaxy evolution

Galaxies at high-redshift

Galaxy interactions

Résumé

Au cours des dernières décennies, de nombreuses preuves que les galaxies ont subit une profonde évolution depuis leur formation s'accumulent. Les fusions de galaxies, un des principaux mécanismes à l'origine de la croissance des galaxies, ont-elles joué un rôle dans leur évolution lorsque l'univers était encore jeune ? En raison de la difficulté à détecter des interactions entre galaxies à grand redshifts, le taux de fusions majeures de galaxies, qui impliquent la fusion de deux galaxies de masses et de tailles similaires, était seulement contraint jusqu'à un redshift de 3, grâce aux études précédentes portant sur des sondages spectroscopiques. Grace à sa technologie innovante, le spectrographe intégral de champ MUSE, un nouvel instrument installé sur le VLT au Chili, convient parfaitement à l'identification de paires proches de galaxies. Ses mesures de redshift spectroscopique ont permis d'étendre l'étude de l'évolution du taux de fusion jusqu'à z = 6. Ainsi durant ma thèse, j'ai tenté d'apporter de nouvelles contraintes sur la croissance des galaxies depuis les 12 derniers milliard d'années, en étudiant l'évolution du taux de fusion des galaxies. Je présente ici les résultats obtenus sur l'analyse des champs les plus profonds obtenus jusqu'alors avec MUSE, tout d'abord dans le Hubble Ultra Deep Field et dans le Hubble Deep Field South. En tout 23 paires proches de galaxies ont été identifiées à grand redshift (z > 3) à travers leur émissions Lyα. Pour ces galaxies, certains biais ont été pris en compte. J'ai ainsi pu donner une première estimation du taux de fusions majeures entre z > 4 et z ∼ 6. Dans une seconde étude, j'ai étendu cette analyse à deux autres régions observées par MUSE : Abell 2744 et COSMOS-GR30. Les critères de sélection des paires proches de galaxies ont été améliorés avec une étude sur la distance de séparation et différence de vitesse de paires de galaxies et sa probabilité de fusionner plus tard, dans les simulations Illustris. Près de 372 paires proches ont pu être identifiées à partir d'un échantillon parent de 2483 galaxies distribuées sur un grand domaine de redshift (0.2 < z < 6) et de masses stellaires. Ceci nous fournit les premières contraintes sur la fusion de galaxies majeures et mineures sur prés de 12 milliard d'années d'évolution. Nos résultats montrent que les fusions majeures atteignent un maximum autour z = 2 − 3 pour ensuite lentement décroître de z > 3 à z = 6. Les fusions mineures quant à elles semblent suivre une évolution moins marquée en fonction du temps, avec une fraction autour de 20% à z = 1.5 et une légère décroissance jusqu’à 8-13% pour z > 3. Dans un dernier temps, le taux de fusions majeures et mineures de galaxies au cours du temps cosmique est estimé à partir de ces fractions. Cette étude illustre bien le potentiel de MUSE pour étudier les fusions de galaxies à grand redshift.

Over the past two decades, strong evidence that galaxies have undergone a significant evolution over cosmic time were found. Do galaxy mergers, one of the main driving mechanisms behind the growth of galaxies, played a key role in their evolution at significant look-back time? Due to the difficulty to identify these interactions between galaxies at high redshifts, the major merger rate, involving two galaxies of similar masses, was constrained so far up to redshift z ≈ 3 from previous studies of spectroscopic pair counts. Thanks to MUSE, which is perfectly suited to identify close pairs of galaxies with secure spectroscopic redshifts, we are now able to extend such studies up to z ≈ 6. During my thesis, my research focused mainly on providing new constraints on the growth of galaxies over the last 12 billion years, by studying the evolution of the galaxy merger fraction. I present the results obtained from the analysis of deep MUSE observations, first in the Hubble Ultra Deep Field and Hubble Deep Field South. Within this spectroscopic sample 23 major close pairs are identified at high redshift (z > 3) through their Lyman alpha emission. For these galaxies, key potential biases such as Lyman alpha offsets were taken into account. I give the first estimate of the major merger fraction for z ∼ 4 − 6 from spectroscopic close pairs counts. In a second part, I expand this analysis to two other regions deeply observed with MUSE, Abell 2744 and COSMOS-GR30. Close pair selection criteria were improved with an analysis of the phase-space distance of galaxy pairs from ILLUSTRIS simulations. Around 372 secure close pairs of galaxies were identified among a large spectroscopic parent sample of 2483 galaxies spread over a large redshift range (0.2 < z < 6) and over a broad range of stellar masses, thus providing the first constraints on the galaxy major and minor merger evolution over 12 Gyrs. Our results show that the major merger fraction reaches a maximum around z ≈ 2 − 3 then slowly decreases from z ∼ 3 to z ≈ 6. The minor merger fraction seems to follow a more constant evolutionary trend with redshift, around 20% for z < 1.5 with a slight decrease to 8-13% for z ≥ 3. Lastly, estimates of the galaxy major and minor merger rates along cosmic time were derived from these fractions. This study illustrates the potential of using blind spectroscopy from IFU surveys to study pair counts and derive merger fractions/rates at high redshift.