Modélisation des galaxies primitives à l'ère du JWST

Modelling primeval galaxies in the JWST era

• Auteur / Autrice : Marie Lecroq
• Direction : Stéphane Charlot
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Astronomie et astrophysique
• Date : Soutenance le 12/06/2024
• 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 : Benoît Semelin
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Véronique Buat, Nicole Nesvadba
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Jarle Brinchmann, Jérémy Blaizot

Mots clés

Mots clés contrôlés

Spectroscopie astronomique

Formation des galaxies

Télescope spatial James-Webb

Galaxies -- Évolution

Mots clés libres

Galaxies primitives

Réionisation

Modélisation spectrale

Spectral modeling

Reionization

Primeval galaxies

Résumé

Le télescope spatial James Webb, lancé en décembre 2021, est considéré comme l'observatoire majeur de la décennie en cours. S'il doit explorer toutes les phases de l'histoire cosmique, l'un de ses principaux buts scientifiques est de dévoiler les premières étoiles et galaxies formées dans l'obscurité de l'Univers primitif, qui ont conduit à sa réionisation avant d'évoluer vers la population de galaxies observable aujourd'hui. Pour interpréter les données spectroscopiques recueillies par le JWST, il est nécessaire de développer des modèles qui contraignent efficacement la physique de l'émission des galaxies primitives. Cette démarche peut être guidée par l'observation de galaxies proches aux propriétés similaires à celles attendues pour les galaxies primitives, c'est-à-dire extrêmement pauvres en métaux et formant activement des étoiles. De telles galaxies dans l'Univers local présentent des champs de rayonnement étonnamment durs, se traduisant notamment par d'intenses raies d'émission à haute ionisation, qui ne peuvent être pleinement expliquées par aucun modèle existant. De récentes études pointent vers le rôle essentiel que pourraient jouer les étoiles binaires massives dans cette émission. Le but de cette thèse est d'abord d'ouvrir une nouvelle brèche dans la modélisation de l'émission des galaxies primitives, en explorant les signatures spectrales d'étoiles binaires massives. Pour cela, j'étudie l'émission nébulaire de populations d'étoiles jeunes générées grâce au nouveau modèle GALSEVN, qui combine le code de synthèse de population SEVN, qui inclut les interactions entre étoiles binaires, et le code d'évolution spectrale GALAXEV. Cette démarche confirme que les interactions entre les étoiles des systèmes binaires influencent fortement les propriétés d'émission des galaxies jeunes. Je montre en particulier que GALSEVN reproduit les rapports d'intensités HeII/Hb élevés communément observés dans les galaxies sous métalliques à formation stellaire active, difficiles à reproduire avec les modèles actuels. Je montre également comment la considération de sursauts de formation stellaire successifs peut améliorer l'accord avec les observations, tandis que les valeurs les plus extrêmes des caractéristiques spectrales de HeII peuvent être reproduites par des populations stellaires dominées par les étoiles massives. GALSEVN permet aussi de calculer de manière inédite l'émission des disques d'accrétion dans les binaires X et des chocs radiatifs issus des vents stellaires et des supernovae, en utilisant une approche auto-cohérente construite à partir des caractéristiques des populations stellaires. Ce travail montre que ces contributions n'affectent que peu les rapports tels que HeII/Hb, contrairement à ce qui a pu être prédit par d'autres modèles, qui semblent surestimer les luminosités X de galaxies proches par rapport à la fonction de luminosité moyenne observée pour les binaires X. GALSEVN peut également prédire l'émission de populations stellaires extrêmement sous-métalliques, représentatives des premières générations d'étoiles de notre Univers. L'étude de différents paramètres caractérisant l'émission de ces étoiles conforte l'idée que les premières étoiles ont pu jouer un rôle majeur dans la réionisation de l'Univers et la formation des structures observées aujourd'hui. L'ensemble des résultats présentés dans cette thèse permettent finalement d'établir une solide base pour l'investigation plus poussée des propriétés des galaxies primitives. En construisant une grille étendue de modèles aux propriétés stellaires et nébulaires variées, il est possible d'appliquer des méthodes statistiques pour interpréter les données collectées par le JWST et contraindre les propriétés physiques des galaxies observées. En conclusion, cette thèse a conduit au développement et à la publication de nouveaux modèles permettant une interprétation inédite des propriétés physiques de galaxies à l'émission dominée par leur jeune population stellaire.

The James Webb Space Telescope, launched in December 2021, is heralded as the major observatory of the coming decade. While it will explore all phases of cosmic history, one of its main scientific goals is to reveal the first stars and galaxies formed in the darkness of the early Universe, which led to its reionisation before evolving into the population of galaxies observable today. To interpret the spectroscopic data collected by JWST, it is necessary to develop models which can effectively constrain the physics of primeval-galaxy emission. This approach can be guided by observations of nearby galaxies with properties similar to those expected of primeval galaxies, i.e. extremely metal-poor and actively star-forming. Such galaxies in the local Universe exhibit surprisingly hard radiation fields, resulting notably in intense high-ionization emission lines, which cannot be fully explained by any existing model. Recent studies point to the essential role that massive binary stars could play in this emission.The aim of this thesis is to open up a new gap in the modelling of the emission from primeval galaxies, by exploring the spectral signatures of massive binary stars. To this end, I study the nebular emission of populations of young stars generated using the new GALSEVN model, combining the population synthesis code SEVN, which includes interactions between stars in binary systems, with the spectral evolution code GALAXEV. This approach confirms that interactions between stars in binary systems strongly influence the emission properties of young galaxies. In particular, I show that GALSEVN is able to account for the high HeII/Hb intensity ratios commonly observed in metal-poor galaxies with active stellar formation, which are difficult to reproduce with current models. I also demonstrate how successive bursts of star formation can improve agreement with observations, while the most extreme HeII spectral features can be reproduced by stellar populations dominated by massive stars. GALSEVN also makes it possible to evaluate the emission from accretion discs of X-ray binaries and radiative shocks from stellar winds and supernovae in an innovative way, using a self-consistent approach built from the characteristics of the modelled stellar populations. This work shows that these contributions likely have little effect on ratios such as HeII/Hb, contrary to predictions from other models, which appear to overestimate the X-ray luminosities of nearby galaxies relative to the observed mean luminosity function of X-ray binaries. GALSEVN can also predict the emission of extremely metal-poor stellar populations, representative of the first generations of stars in our Universe. A study of different parameters characterising the emission of these stars supports the view that the first stars may have played a major role in the reionization of the Universe and the subsequent formation of the structures observed today. Overall, the results presented in this thesis provide a solid basis for further investigation of the properties of early galaxies. By building a grid of models spanning a wide range of stellar and nebular properties, it is possible to apply statistical methods to interpret data collected by JWST in terms of constraints on the physical properties of the observed galaxies. In conclusion, this thesis has led to the development and publication of new models enabling a novel interpretation of the physical properties of galaxies whose emission is dominated by young stellar populations.