The nature and role of starbursting galaxies in the distant universe

par Antonello Calabro

Thèse de doctorat en Physique. Astronomie et astrophysique

Sous la direction de Emanuele Daddi.

Le président du jury était Isabelle Grenier.

Le jury était composé de Emanuele Daddi, Isabelle Grenier, Johan Richard, Daniela Calzetti, Luis Colina, Véronique Buat, Mathieu Puech.

Les rapporteurs étaient Johan Richard, Daniela Calzetti.

  • Titre traduit

    La nature et le rôle des galaxies à flambée d'étoiles dans l'univers lointain


  • Résumé

    Cette thèse étudie la morphologie, les propriétés physiques et les mécanismes de déclenchement des galaxies à flambée d’étoiles à redshift intermédiaire. Les Starbursts (SB) sont des galaxies avec un taux de formation d'étoiles (SFR) bien supérieur à la population moyenne située sur la séquence de corrélation principale SFR - masse stellaire.À haut redshift, on pense que les SB sont les progéniteurs des elliptiques passifs que l'on trouve dans l'univers local. Cependant, leur nature et leur rôle sont encore débattues : ces systèmes sont les plus lumineux et les plus faciles à détecter et à étudier (par exemple dans l'infrarouge), mais nous ne savons pas s'ils sont représentatifs de la majorité de l’activité de formation d'étoiles. De plus, nous ne savons pas si elles sont déclenchées par des fusions ou s'il s'agit simplement des systèmes isolés riches en gaz ayant eu un afflux de gaz anormal. L'atténuation de la poussière et la métallicité sont des quantités cruciales pour tester l'hypothèse de fusion, mais, pour mieux les contraindre, il est fondamental d'observer les galaxies à des longueurs d'ondes de l'infrarouge proche au repos, qui peuvent pénétrer plus profondément à travers la poussière par rapport aux diagnostics optiques.Dans cet objectif, j’ai observé, réduit et analysé les spectres infrarouges d’un échantillon de 25 SB à 0.5 <z <0.9. En comparant les raies de Paschen β et Hα aux luminosités infrarouges totales, j'ai trouvé que les starbursts hébergent des noyaux optiquement épais et très obscurcis, qui peuvent être expliqués seulement par des fusions (Calabro et al. 2018, ApJ Letters). De plus, les observations indiquent que la poussière et les jeunes étoiles sont mélangées de manière homogène et que le modèle géométrique à écran de poussière n’est pas valable. J'ai également constaté que l'atténuation des galaxies est corrélée à d'autres propriétés physiques, telles que la taille en radio, le rapport de raies [NII]/Hα, la largeur des raies d’émission et la largeur équivalente des raies de Balmer et de Paschen. J’ai interprété ces corrélations comme une séquence de différentes étapes temporelles de fusion (Calabro et al. 2019, A&A). Curieusement, des émissions de rayons X n’ont été détectées que dans 6 galaxies en phases tardives de fusion, suggérant des AGN émergents qui peuvent conduire finalement à un quasar lumineux. La similarité entre l'atténuation des rayons X et celle déduite de l'infrarouge suggère également une distribution particulière de la poussière et du gaz, où la plus grande partie de l'obscurcissement affectant l'émission AGN est produite dans le milieu interstellaire de la galaxie hôte, à des échelles de 10^2-10^3 pc, plutôt que dans le tore de l'AGN.De plus, en regardant les images HST dans la bande i, les galaxies starburst au même redshift sont dominés (par rapport aux disques normaux isolés) par des régions de formation stellaire très lumineuses (appelé « clumps »), situé dehors de la région nucléaire centrale. Ces clumps sont généralement attribués à des instabilités gravitationnelles violentes produit dans des disques turbulents riches en gaz. Mon étude toutefois suggère que les fusions, en plus que déclencher l’activité de formation stellaire starburst, constituent des canaux importants et compétitifs même pour la formation des clumps


  • Résumé

    The thesis investigates the morphology, the physical properties andtriggering mechanisms of starburst galaxies at intermediate redshifts z. Starbursts (SB)are galaxies with a star-formation rate (SFR) much higher than the average populationlying on the SFR - stellar mass main correlation sequence. At high-z, SBs are thoughtto be the progenitors of passive ellipticals that we find in the local Universe. However,there is still a hot debate on their nature and role: they are the most luminous systemsand easiest to detect and study (e.g., in the infrared), but we do not know whether theyare representative of the bulk of the SFR activity. Moreover, we do not know whetherthey are triggered by major mergers or they are simply gas-rich isolated systemsexperiencing anomalous gas accretion events. The dust attenuation and metallicity arecrucial quantities to test the merger hypothesis, but, for better constraining them, it isfundamental to observe the galaxies at near infrared rest-frame wavelengths, whichcan penetrate deeper through the dust compared to optical diagnostics. To this aim, Iobserved, reduced and analyzed the near-IR spectra of a representative sample of 25SBs at 0.5 < z < 0.9, using the Magellan-FIRE spectrograph. Comparing the Paschenβ and Hα lines to the bolometric infrared luminosities, I found that starbursts hostextremely compact optically thick star-forming cores, which can be only explainedby assuming they are triggered by major mergers events (Calabro et al. 2018, ApJLetters). Additionally, the observations indicate that at high obscurations the dustand young stars are homogeneously mixed, and the dust-screen geometry model doesnot hold anymore. I also found that the attenuation of the galaxies correlates withother physical properties, such as the size in radio, the [NII]/Hα ratio, the line velocitywidth and the equivalent width of Balmer and Paschen lines, all of which correlationsare interpreted as a sequence of different time-evolutionary merger stages (Calabroet al. 2019, A&A). Intriguingly, X-ray emission was detected for six mergers only inthe late phases, suggesting emergent AGNs possibly leading to a final bright quasarfor these systems. The qualitative agreement between the X-ray attenuation and thatinferred from the infrared also suggests a peculiar dust/gas distribution, where mostof the obscuration affecting the AGN emission is produced in the host galaxy ISM, onscales of 102-103 pc, rather than in the AGN torus. Furthermore, looking at HST i-bandimages, starbursts at the same redshift have a morphology that is systematically moreclumpy compared to normal star-forming isolated disks with matching stellar masses.Indeed, SBs are statistically more dominated by off-nuclear bright patches of stellaremission, contributing up to 20% to the total emission at those wavelengths. Whilemost studies explain such clumps through violent gravitational instabilities in gas-richturbulent disks, my result indicates that mergers are also a powerful and competitivechannel for clumps formation

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