Sonder les processus qui conduisent à la formation d'étoiles locales et distantes dans les galaxies à travers la poussière et les molécules

Probing the processes driving distant and local star-formation in galaxies through dust and molecules

• Auteur / Autrice : Luwenjia Zhou
• Direction : David Elbaz, Yong Shi
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Astronomie et Astrophysique
• Date : Soutenance le 13/11/2020
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay en cotutelle avec Nanjing University (Chine)
• 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-....) - Nanjing University. School of Astronomy and Space Science (Chine)
• Partenaire(s) de recherche : référent : Université Paris-Saclay. Faculté des sciences d’Orsay (Essonne ; 2020-....)
• Jury : Président / Présidente : Hervé Dole
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Yiping Ao, Bunyo Hatsukade, Véronique Buat, Xu Kong, Xianzhong Zheng
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Yiping Ao, Bunyo Hatsukade

Mots clés

Mots clés contrôlés

Très grand télescope ESO

Interféromètres

Formation stellaire

Galaxies -- Évolution

Mots clés libres

Évolution des galaxies

Formation d’étoiles

Milieu interstellaire

ALMA

Herschel

NOEMA

Galaxy evolution

Star formation

Interstellar medium

Alma

Herschel

Noema

Résumé

Les études sur l'évolution des galaxies ont été révolutionnées au cours des dernières décennies grâce aux nouveau télescopes et aux instruments de pointe. Les interféromètres Herschel, ALMA et NOEMA permettent d'observer l'émission des poussières tracant la formation des étoiles, invisible dans les bandes infrarouges proche observées par les télescopes optiques. Dans cette thèse, je me concentre sur la formation des étoiles aux grandes échelles des galaxies (~kpc). En utilisant les données des téléscopes Herschel, ALMA, NOEMA, et SAMI IFU, ma thèse tente de mettre en lumière les questions suivantes : (1) Comment les premières galaxies ont-elles formé des étoiles à partir du gaz contenant peu de métaux ? (2) Comment les galaxies massives du début de l'Univers ont-elles rapidement constitué leur masse et finalement cessé de former des étoiles ? (3) Quel est le rôle joué par les environnements dans lesquels elles résident ? (4) Comment la rétroaction de la formation des étoiles affecte-t-elle la cinématique des galaxies ? Premièrement, je présente l'étude de six galaxies optiquement sombres extraites de l'étude GOODS-ALMA (la plus grande étude cosmologique à 1,1m) dont le décalage vers le rouge est supérieur à z=3. Je présente des preuves que quatre d'entre elles appartiennent à la même surdensité de galaxies, situé à z~3.5. L'une d'entre elles, AGS24, est la galaxie la plus massive, sans noyau galactique actif et situé à z>3. Cette dernière se situe également au centre du pic de densité de surface des galaxies, suggèrant que la surdensité environnante est un proto-amas en cours de virialisation et qu'AGS24 est un candidat progéniteur d'un futur amas de galaxie plus brillant. Deuxièmement, en me basant sur une observation NOEMA, j'ai étudié la teneur en gaz moléculaire dans IZw18, l'une des galaxies les plus pauvres en métal de l'Univers local. J'ai obtenu une limite supérieure d'émission de CO(J=2-1) qui est dix fois plus faible que précédemment déterminée, ceci malgré la forte activité de formation d'étoiles. Sa faible teneur en CO (par rapport à sa luminosité infrarouge), son taux de formation d'étoiles, et sa luminosité [CII] indiquent un changement drastique dans la structure du MIS (environ quelques pourcents de la métallicité solaire). En particulier, la luminosité élevée [CII] par rapport au CO implique un réservoir moléculaire plus important que l'émetteur de CO dans l'IZw18. Troisièmement, mes travaux sur les sources d'énergie des mouvements turbulents montrent qu'à des échelles inférieures au kpc, les galaxies locales formant des étoiles du relevé SAMI présentent une distribution plate de la dispersion de vitesse du gaz ionisé en fonction de la densité de surface du taux de formation d'étoiles. Cependant, le plancher de dispersion de vitesse est plus élevé que ce que prédisent les modèles "feedback-driven". Cela suggère que des sources supplémentaires à la rétroaction de formation d'étoiles entraînent des mouvements aléatoires du MIS dans les galaxies formant des étoiles.Enfin, je présente mes travaux sur l'émission de poussières spatiallement résolue des galaxies extrêmement pauvres en métaux observées par Herschel. Ces galaxies présentent des températures de poussière plus élevées et des indices d'émissivité plus faibles que ceux des galaxies spirales. Environ la moitié de l'émission à 100um provient de la poussière chaude (50K), par opposition à la composante froide (~20K) de la poussière. Les couleurs de l'infrarouge lointain sont toutes liées aux densités de surface des jeunes étoiles, mais pas aux densités de surface des masses stellaires. Cela suggère que leur poussière (70~350μm) est principalement chauffée par le rayonnement des jeunes étoiles.

Studies on galaxy evolution have been revolutionized during the last decade thanks to the state-of-the-art telescopes and instruments. Herschel Space Telescope, ALMA and NOEMA interferometers can observe the dust emission that traces star formation missed by optical to near-infrared telescopes. Their high sensitivity pushes further their detections to the most distant galaxies or the faintest local galaxies, of which the formation and evolution challenge current theories and models. And the integral field unit technique combines the spatial information with the properties extracted from spectra which allows a thorough study of galaxy kinematics. In this thesis, I focus on the large-scale (~kpc) star formation of galaxies. Taking advantage of the data from Herschel, ALMA, NOEMA, and the SAMI IFU survey, my thesis tries to put more constraints on the following questions: (1) How did the first galaxies form stars out of gas with little metal? (2) How did the massive galaxies in the early Universe rapidly build up their masses and finally stop forming stars? and (3) what is the role played by the environments they reside in? (4) How does star formation feedback affect the galaxy kinematics? A large portion of the work done in this thesis is based on the GOODS-ALMA survey, the largest cosmological survey with the large ALMA interferometer at 1.1 mm. I studied the six optically dark galaxies with redshifts greater than z =3 uncovered by this survey. We present evidence that four out of the six optically dark galaxies belong to the same overdensity of galaxies at z~3.5. One of them, AGS24, is the most massive galaxy without an active galactic nucleus at z >3 in the GOODS-ALMA field. It also falls in the very center of the galaxy surface density peak, suggesting that the surrounding overdensity is a proto-cluster in the process of virialization and that AGS24 is the candidate progenitor of the future brightest cluster galaxy. I also studied the molecular gas content in IZw18, one of the most metal poor galaxies in the local Universe based on the observation of NOEMA. I obtain an upper limit of CO J =2-1 emission, which is used as a tracer of molecular gas, to be ten times lower than previous studies despite its vigorous star formation activities. Such low CO content relative to its infrared luminosity, star formation rate and [CII] luminosity, indicates a drastic change in the structure of the ISM at around a few percentages of Solar metallicity. Especially, the high [CII] luminosity relative to CO implies a larger molecular reservoir than the CO emitter in IZw18. My work on the energy sources of the turbulent motions shows that on sub-kpc scales, local star-forming galaxies from the SAMI survey display a flat distribution of ionized gas velocity dispersion as a function of star formation rate surface density. However, the velocity dispersion floor is higher than predicted by feedback-driven models. This suggests that additional sources to star formation feedback drive random motions of the interstellar medium in star-forming galaxies. Finally I present my work on the spatially resolved dust emission of extremely metal-poor galaxies observed by Herschel. These galaxies show higher dust temperatures and lower emissivity indices compared to those of spiral galaxies. And about half of the emission at 100μm comes from warm (50,K) dust, in contrast to the cold (~20K) dust component. The far-infrared colours are all related to the surface densities of young stars, but not to the stellar mass surface densities. This suggests that their dustemission (70~350μm) is primarily heated by radiation from young stars.