Plongée dans les facteurs environnementaux de la formation d'étoiles dans les halos denses de l'Univers primitif

Deep-dive into the environmental drivers of star-formation within dense halos in the early Universe

• Auteur / Autrice : Boris Sindhu Kalita
• Direction : Emanuele Daddi
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Astrophysique et techniques spatiales
• Date : Soutenance le 13/09/2022
• Etablissement(s) : Université Paris Cité
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Astronomie et astrophysique d'Île-de-France (Paris ; 1992-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Astrophysique Instrumentation Modélisation (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 2005-....)
• Jury : Président / Présidente : Simona Mei
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Simona Mei, Nina Hatch, Helmut Dannerbauer, Matthieu Bethermin
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jérémy Blaizot, Nina Hatch

Mots clés

Mots clés contrôlés

Accrétion (astrophysique)

Formation stellaire

Galaxies -- Évolution

Formation des galaxies

Mots clés libres

Formation des galaxies

Évolution des galaxies

Galaxies formant des étoiles

Galaxies ne formant pas d'étoiles

Galaxies massives

Galaxies compactes

Accrétion de gaz

Formation d’étoiles

Extinction dans les galaxies

Galaxies formation

Galaxies evolution

Strar-forming galaxies

Quiescent galaxies

Massives galaxies

Compact galaxies

Gas accretion

Star formation

Galaxy quenching.

Résumé

L'interaction avec l'environnement est un facteur majeur de l'évolution des galaxies à travers le temps cosmique. Ce facteur est particulièrement important dans les premières phases de formation des galaxies et des amas (z ~ 2 - 4), où les galaxies les plus massives (> 1011 M_sun) de notre Univers se formaient, évoluaient et mouraient rapidement en l'espace de quelques milliards d'années. Cette thèse vise à caractériser par l'observation le rôle que l'environnement pourrait jouer dans l’évolution des propriétés de ces galaxies, avec un accent particulier sur l'accrétion filamentaire de gaz froid. Ce phénomène essentiel est censé fournir le carburant nécessaire à la formation d'étoiles dans les halos de matière noire traçant des surdensités de matière, qui sont autrement trop chauds (avec des températures de Viriel ~ 106 K) pour conserver un réservoir de gaz froid (< 104 K) qui peut être facilement converti en étoiles dans les galaxies membres du halo. La théorie prédit que de tels flux continus de gaz froid sont capables de pénétrer profondément dans les halos dans une gamme de paramètres caractérisée par la masse du halo et le décalage vers le rouge. Ainsi, les halos dont la masse de matière noire est supérieure au seuil de 1012 M_sun, au-delà duquel tout gaz disponible est chauffé par choc, sont encore capables de fournir du gaz froid à leurs galaxies. Étant donné l'importance de ce phénomène, qui a récemment été soutenu soulignée par l'évolution de la luminosité Lyman-alpha des halos à haut décalage vers le rouge (à 1,8 < z < 3,3), nous avons cherché à trouver des preuves dans des observations très sensibles et bien résolues de galaxies à forte formation d'étoiles dans une telle structure. RO-1001, un groupe de galaxies à z = 2,91 est l'un des rares cas où il existe des preuves convaincantes d'une accrétion filamentaire de gaz froid, tracée par son halo Lyman-alpha. En utilisant une combinaison d'images profondes HST et ALMA, ainsi que d'autres images et spectres en optique et dans l'infrarouge proche, nous trouvons des preuves prometteuses des effets de l'accrétion sur trois galaxies membres de RO-1001 qui forment des étoiles massives. Nous trouvons une interaction entre les disques stellaires ne formant pas d’étoile et les noyaux fortement formateurs d'étoiles mais obscurcis par la poussière qui est en accord avec les prédictions des simulations de l'évolution des galaxies par accrétion. Cependant, une quatrième galaxie aussi massive mais ne formant aucune étoile est également trouvée dans la même structure riche en gaz, confirmée photométriquement. Ceci peut donc être interprété comme un cas limite de l'accrétion de gaz de rôle, fournissant ainsi une image complète de la formation d'étoiles dans les galaxies au sein de telles structures. De plus, la galaxie ne formant aucune étoile ouvre la voie à la partie suivante de la thèse qui étudie comment la formation d'étoiles est inhibée dans les environnements denses, qui, lorsque nous progressons vers des amas plus évolués, est caractérisée par l'injection d'entropie dans les environnements intra-amas

Interaction with the environment is a major driver of galaxy evolution throughout cosmic time. This is especially critical in the first phases of galaxy and cluster formation (z ~ 2 - 4), where the most massive (> 1011 M_sun) galaxies of our Universe were rapidly forming, evolving and dying within the span of a few billion years. This thesis aims to observationally characterize the role environment could be playing to shape the properties of such galaxies, with special emphasis on filamentary cold-gas accretion. This critical phenomenon is expected to provide fuel for star-formation in dark matter halos tracing matter over-densities, that are otherwise too hot (with virial temperatures ~106 K) to sustain cold gas (< 104 K) which can be readily converted to stars in member galaxies. Theory predicts such sustained streams of cold-gas are capable of penetrating deep into the halos within a parameter range characterized by the halo mass and redshift. This results in halos above the threshold dark matter mass of 1012 M_sun beyond which any available gas is shock heated, to still be capable of providing cold-gas to its galaxies. Given the importance of this phenomenon, which has recently also been supported by the observed Lyman-alpha luminosity evolution of high-redshift halos (at 1.8 < z < 3.3), we have aimed to find supporting evidence in highly sensitive and well-resolved studies of highly star-forming galaxies within such a structure. RO-1001, a galaxy group at z = 2.91 is one of the handful of cases where there is convincing evidence of filamentary cold-gas accretion, traced by its Lyman-alpha halo. Using a combination of deep HST and ALMA imaging, along with additional optical and near-IR imaging and spectroscopy, we find tantalizing evidence of the effects of accretion on three massive star-forming member galaxies of RO-1001. We find an interplay between lopsided quiescent stellar disks and highly star-forming but dust-obscured cores that is in agreement with predictions of simulations of accretion-driven galaxy evolution. However, a fourth equally massive but fully quiescent galaxy is also found within the same gas-rich structure, confirmed photometrically. This can hence be interpreted as a limiting case of the role gas-accretion, thereby providing a complete picture of star-formation in galaxies within such structures. Moreover, the quiescent galaxy paves the way for the next part of thesis which looks into how star-formation is inhibited within dense environments, which as we progress to more evolved clusters, is characterized by entropy injection into the intra-cluster environments. Once again, the major player of this process: jet-mode AGN feedback, has only been studied in great detail at lower redshifts but not fully understood at higher redshifts (z ~ 1.5 – 2.0 and above). We thus look into this in a newly formed cluster, CLJ1449+0856 at z = 1.99, with deep JVLA 3 GHz radio observations to reveal an abundance of low-powered AGN jet-activity that is expected to have a lasting effect on the future evolution of such a structure. Finally, a discussion on the inhibition of star-formation in dense environments would be incomplete without mentioning the simple effect of ram-pressure which is well studied at low redshifts (z<0.5). We discuss our work on Ram-Pressure stripping, the primary method to remove gas from gas-rich galaxies infalling into clusters at lower redshifts, along with a brief discussion on whether this phenomenon could play a role in the rapid evolution of galaxies at redshifts as high as z ~ 3