Thèse soutenue

Étude du gaz neutre à haute densité de colonne dans l'Univers primordial
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Auteur / Autrice : Adarsh Ranjan
Direction : Pasquier Noterdaeme
Type : Thèse de doctorat
Discipline(s) : Astrophysique
Date : Soutenance le 11/10/2019
Etablissement(s) : Sorbonne université
Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Astronomie et astrophysique d'Île-de-France (Meudon, Hauts-de-Seine ; 1992-....)
Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut d'astrophysique de Paris (1936-....)
Jury : Président / Présidente : Florence Durret
Examinateurs / Examinatrices : Eric Jullo
Rapporteurs / Rapporteuses : Denis Puy, Roser Pello

Résumé

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Comprendre l’évolution des galaxies à travers le temps cosmique est l’un des principaux axes de recherche en cosmologie observationnelle. Cette évolution est intimement liée à l’enrichissement chimique du gaz à la fois dans la galaxie (également appelé milieu interstellaire, ou ISM) et l’entourant (le milieu circum-galactique, CGM). Avec l’avènement des télescopes modernes, il est maintenant possible de détecter des galaxies à des décalages spectraux élevés (jusque z∼10). Cependant, ces galaxies sont, par construction, les plus lumineuses à leur époque, induisant un biais dans la population observée. Une méthode complémentaire pour sonder les galaxies indépendamment de leur luminosité consiste à les détecter par l’absorption produite par le gaz associé le long de la ligne de visée vers des sources lumineuses brillantes d’arrière-plan. Parmi les systèmes d’absorption, il a longtemps été considéré que les systèmes Lorentziens (DLA), caractérisés par une grande densité de colonne en gaz neutre, correspondaient à l’ISM au cœur de galaxies de grand décalage spectral. Cependant, des études récentes ont montré que les DLAs explorent statistiquement plutôt la périphérie des galaxies. Dans cette thèse, je me concentre sur un sous-ensemble de DLAs extrêmes, ayant les plus hautes densités de colonne en hydrogène neutre. Cette étude ciblée était motivée par deux idées principales. La première idée est que la densité de colonne de gaz diminue statistiquement avec la distance au centre de la galaxie. La deuxième idée est que la transition du gaz atomique vers le gaz moléculaire se produit dans les nuages qui ont une densité de colonne de gaz neutre supérieure à une certaine valeur critique. Cette valeur critique universe dépend de l’enrichissement chimique du gaz et du champ de rayonnement ambiant. Dans cette thèse, je teste ces hypothèses sur la base d’un échantillon de 11 systèmes d’absorption extrêmes (appelés extremely strong DLAs ou ESDLAs), avec log N (HI) [atomes cm −2 ]) ≥ 21.7). Cet échantillon a été construit en utilisant des spectres de quasars à basse résolution, extraits de la base de données Sloan Digital Sky Survey (SDSS DR 11). Nous avons obtenu des spectres Moyenne résolution couvrant un large domaine de longueurs d’ondes avec le spectrographe XSHOOTER monté sur le Very Large Telescope (VLT, installé au Chili). L’analyse de ces spectres nous a permis de mesurer précisément les densités de colonne en hydrogène neutre (en utilisant Lyman-α et d’autres raies de la série de Lyman), en hydrogène moléculaire (utilisant les transitions des bandes Lyman-Werner) et d’étudier l’enrichissement chimique et la structure en sous-composantes du gaz absorbant grâce aux raies métalliques. La grande couverture spectrale de X-SHOOTER a également été utile dans la modélisation de l’absorption continue due aux poussières associées au gaz. Finalement, nous avons détecté des raies d’émission au décalage spectral de l’absorbant pour plusieurs systèmes, avec de très petits paramètres d’impact. Ceci nous permet de déduire que les ESDLAs se trouvent de préférence dans les régions centrales de leur galaxie associée. Au cours de l’analyse de l’ensemble des spectres, nous avons trouvé le ESDLA (sur la ligne de visée du QSO SDSS J 1513+0352) qui présente la plus grand colonne densité en hydrogène neutre jamais observée. Nous détections également une émission associée. Le haut rapport signal-sur-bruit des données nous permet d’identifier les raies de structure fine du carbone neutre ainsi que les raies de l’hydrogène moléculaire qui sont utilisées pour derivier les propriétés physiques du gaz. (...)