La structure et l'évolution des galaxies par leurs bulbes et disques dans l'Univers proche

The structure and evolution of galaxies via their bulges and disks in the nearby Universe

• Auteur / Autrice : Louis Quilley
• Direction : Valérie de Lapparent
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Astronomie et astrophysique
• Date : Soutenance le 22/09/2023
• 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 : Véronique Buat
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Clotilde Laigle, Dmitry Makarov
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Véronique Buat, Steven Bamford

Mots clés

Mots clés contrôlés

Imagerie multispectrale

Bulbes galactiques

Galaxies -- Évolution

Formation des galaxies

Mots clés libres

Types morphologiques

Bulbes et disques des galaxies

Formation et migration d'étoiles

Modélisation d'images multibandes (photométrie CCD)

Diagramme couleur-magnitude

Relation taille-luminosité

Morphological types

Bulges and disks of galaxies

Star formation and migration

Modeling of multiband images (CCD photometry)

Color-magnitude diagram

Size-luminosity relation

Résumé

L’astronome Edwin Hubble classa les galaxies selon leurs formes, créant ainsi la séquence de Hubble, qui décrit les classes morphologiques des elliptiques (E), des lenticulaires (S0), des spirales (de Sa à Sm) et des irrégulières (Im). La formation de la séquence de Hubble pose un défi aux théories de formation des galaxies, qui doivent expliquer comment une telle diversité d’objets a pu se former. Répondre à cette question demande de caractériser la morphologie d’échantillons représentatifs de galaxies afin de comprendre leur histoire de formation. Dans cette thèse, je développe avec SourceXtractor++ une procédure de modélisation fiable des profils de luminosité des composantes dominantes des galaxies, les bulbes et les disques, pour les 4458 galaxies proches du catalogue morphologique EFIGI. Avec ZPEG, j'ajuste des spectres sur leurs flux multi-bandes afin de déterminer leurs masses stellaires et leurs taux de formation d’étoiles. Dans le diagramme de couleur absolue NUV−r versus masse, je retrouve la bimodalité en couleur et la zone intermédiaire de la Vallée Verte, et montre qu’elles sont parcourues par les types morphologiques successifs de la séquence de Hubble. Les galaxies situées dans la Vallée Verte subissent un rougissement systématique du disque et une croissance marquée du bulbe par un facteur de 2 à 3, ce qui exclut un scénario d’extinction rapide. En examinant les bulbes, disques, barres, anneaux et bras spiraux, nous dressons un schéma de l’évolution des galaxies suggérant que la dynamique interne, sous l’effet d’interactions ou de fusions, pourrait être la clé du vieillissement des galaxies. La séquence de Hubble peut alors être considérée comme une séquence inverse de l’évolution physique des galaxies. Je réexamine les relations d’échelle entre la taille, la luminosité et la brillance de surface des galaxies, bulbes et disques en fonction de leur morphologie. Je montre que la relation de Kormendy pour les galaxies elliptiques s’étend aux bulbes des types S0 à Sb, tandis que les bulbes moins brillants et plus petits des types plus tardifs s’en écartent, avec une diminution du rapport bulbe-sur-total (B/T) et des indices de Sérsic. Je mets en évidence une transition continue des pseudo-bulbes aux bulbes classiques, plutôt qu’une dichotomie entre ces deux classes. Je dérive de nouvelles relations convexes entre taille et luminosité pour les bulbes et disques des galaxies EFIGI, améliorant l’estimation de leur taille à toutes les magnitudes. Cet aspect est crucial pour générer des images synthétiques réalistes comprenant tous les types de galaxies existants, qui sont nécessaires pour contrôler les effets systématiques liés à la forme des galaxies dans les mesures qui sont déduites des grands relevés de galaxies, tels qu'avec Euclid. De plus, j’obtiens le résultat inédit que les rayons effectifs des bulbes et des disques des spirales ou des lenticulaires augmentent selon des lois de puissance du B/T. L’analyse du catalogue morphologique EFIGI peut être étendue à MorCat, un relevé limité en magnitude apparente à g≤15.5, dont EFIGI est un sous-échantillon de fréquence comparable des types de Hubble, ce qui permet de dériver des distributions des paramètres morphologiques représentatives de l’Univers proche. Cette étude des galaxies proches dresse un scénario d’évolution pour les types de Hubble paramétré par les propriétés des bulbes et des disques. Toutefois, l’analyse directe de la morphologie en fonction du temps cosmique est nécessaire pour comprendre comment la séquence de Hubble s’est mise en place. Pour cela, ma méthodologie peut être adaptée à d’autres relevés de galaxies, comme avec Euclid, ou les champs profonds du CFHT Legacy Survey ou de Hyper-Suprime Cam. Je compte également localiser les types morphologiques parmi les feuillets, filaments et nœuds de la toile cosmique, afin d’explorer le rôle de l’environnement local et à grande échelle dans les transformations du Nuage Bleu vers la Séquence Rouge.

Edwin Hubble was the first astronomer to classify galaxies according to their shapes and features. It led to the establishment of the famous Hubble sequence, describing the morphological classes that are ellipticals (E), lenticulars (S0), spirals (Sa to Sm), and irregulars (Im). The formation of the present-day Hubble sequence raises a challenge to galaxy formation theories, as they must explain how arose such a diversity of objects. Addressing this issue requires to characterize the morphology of statistically representative samples of galaxies, in order to gain insight into their formation history. In this thesis, I use SourceXtractor++ and design a procedure for reliable modeling of the luminosity profiles of the dominant galaxy components, the bulges and disks, for the 4458 nearby galaxies of the EFIGI morphological database. I also perform spectral fitting with ZPEG of the bulges and disks multi-band fluxes in order to derive stellar masses and star formation rates. The absolute NUV−r color versus mass diagram shows the known bimodality and the intermediate Green Valley. The new result is that they are spanned by the consecutive morphological types of the Hubble sequence. Galaxies across the Green Valley undergo a systematic disk reddening and a marked bulge growth by a factor of 2 to 3, excluding a quick quenching scenario. By examining bulges, disks, bars, rings and spirals arms, we paint a picture of galaxy evolution suggesting that internal dynamics, likely triggered by mergers or flybys, may be the key to galaxy aging. The Hubble sequence can then be considered as an inverse sequence of galaxy physical evolution. The profile modelings also allow me to revisit the scaling relations between size, luminosity and surface brightness of bulges and disks as a function of morphology. I show that the Kormendy relation for E galaxies extends to the bulges of S0 to Sb types, whereas fainter and smaller bulges of later Hubble types depart from it with decreasing bulge-to-total ratio (B/T) and Sérsic indices. I provide evidence that there is a continuous transition from pseudo-bulges to classical ones, rather than a dichotomy between them. I derive new convex size-luminosity relations for both the bulges and disks of EFIGI galaxies, that prevent over or under estimates of bulge, disk and galaxy sizes at all magnitudes. These are crucial for generating realistic mock galaxy fields which include all existing types, which are necessary to control the systematic effects related to galaxy shapes in the measurement derived from very large surveys, such as those performed with the recently launched Euclid space telescope. Moreover, I obtain the unprecedented result that the effective radii of both the bulges and disks of either spirals or lenticulars increase as power-laws of B/T. The analysis for the EFIGI morphological catalog can be extended to MorCat, a magnitude limited survey to g≤15.5, from which EFIGI is a comparable Hubble type frequency sub-sample, hence allowing to derive distributions of morphological parameters that are representative of the local Universe. This study of nearby galaxies provides us with an evolutionary picture across Hubble types that can be parameterized in terms of bulge and disk properties. The analysis of morphology as a function of redshift is however needed for direct evidence on the establishment of the Hubble sequence over cosmic times. To pursue this avenue of research, the methodology I developed during my thesis can be adapted to galaxy surveys at high redshift obtained from either space or ground-based telescopes, in particular the forthcoming Euclid data, the CFHT Legacy Survey Deep fields, or the Hyper Suprime-Cam Deep fields. I also intend to locate the morphological types along the sheets, filaments and nodes of the cosmic web, in order to further study the role of the local and large-scale environment in the morphological transformations from the Blue Cloud to the Red Sequence.