Observations millimétriques-submillimétriques de galaxies lentillées gravitationellement à haut redshift

by Tuan Anh Pham

Doctoral thesis in Astrophysique, sciences de l'espace, planétologie

Under the supervision of Frédéric Boone and Pierre Darriulat.

defended on 2014

in Toulouse 3 and the jointly supervising institution Hanoi institute of physics .

Alternative Title

Millimeter-submillimeter observations of gravitationally lensed high redshift galaxies

Abstract

The thesis gives a detailed account of observations of the host galaxy of a distant quasar, RX J0911. Detailed observations of the CO emission have been made possible thanks to the gravitational lensing offered by the presence of a galaxy in the foreground and to the quality of the Plateau de Bure Interferometer. High resolutions have been obtained both in frequency, allowing for a precise measurement of the line width, and in space, allowing for resolving spatially the source both on the line and in the continuum, namely both in its dust and gas content. The mechanism of gravitational lensing has been discussed in detail. As is often the case with large magnifications, the source happens to be in the vicinity of the lens caustic, in fact to overlap it. A consequence is a strong dependence of the magnification on the precise position of point sources in the galaxy, resulting in significantly different magnifications for the gas, the dust and the central QSO. Moreover, the morphology of the observed images is distorted in addition to being amplified. The data illustrate the advantage offered by the strong lensing in terms of increased sensitivity as well as the complication that results, causing an additional source of uncertainties on the quantities that are accessible to measurement. The CO(7-6) line stands out clearly above continuum, allowing for reliable measurements of the gas and dust luminosities. Detailed studies of the four lensed images have made it possible to resolve the source in both the line and the continuum with rms radii of 106±15 and 39±18 mas respectively. In the line case, the quality of the data have provided evidence for an ellipticity of the source, 3. 3 standard deviations away from circular, and for a velocity gradient correlated with the source ellipticity, at the level of 4. 5 standard deviations. The very narrow CO(7-6) line implies a low dynamical mass and both gas and dust mass evaluations fall on the low side of the normal high-z quasar host population. The large star formation efficiency is on the high side of both low-z and high-z galaxies: much of the gas has been exhausted after an intense star formation period, leaving the galaxy at the border between high-z and low-z quasar hosts.

keywords

• Astrophysique
• Evolutions des galaxies
• Lentilles gravitationnelles
• Galaxies -- Observations
• Galaxies -- Évolution
• Lentilles gravitationnelles

Abstract

Nous présentons une étude détaillée d'observations faites de la galaxie hôte d'un quasar lointain (z~2. 8), RX J0911. La détection de l'émission des molécules CO a été possible grâce au lentillage gravitationnel dû à la présence d'une galaxie plus proche sur la ligne de vue et à la qualité de l'interféromètre du Plateau de Bure. On a obtenu de très bonnes résolutions tant en fréquence, permettant une mesure précise de la largeur de raie, qu'en direction, permettant de résoudre la source aussi bien sur la raie que dans le continu, donc à la fois pour le gaz et pour la poussière. Nous avons discuté en détail le mécanisme de lentillage gravitationnel. Comme souvent lorsqu'il s'agit de grandissements importants, la source est proche de la caustique de la lentille, dans le cas précis elle la chevauche. Il en résulte une dépendance importante du grandissement sur la position précise des sources ponctuelles à l'intérieur de la galaxie, donc des grandissements différents pour le gaz, la poussière et le quasar. D'autre part, les images sont non seulement aggrandies mais aussi déformées. Les données illustrent les avantages offerts par le lentillage en termes de sensibilité en même temps que les complications de l'analyse qui en découlent, source d'incertitudes sur les mesures. La raie CO(7-6) sort clairement du continu, permettant des mesures fiables des luminositées associées au gaz et à la poussière. Des études détaillées des quatre images ont permis de résoudre la source tant sur la raie que dans le continu, avec des rayons de 106±15 et 39±18 mas respectivement. Dans le cas de la raie, la qualité des données a permis de mettre en évidence une excentricité à 3. 3 déviations standard et un gradient de vitesse à 4. 5 déviations standards. La largeur très étroite de la raie implique une masse dynamique basse et les évaluations faites des masses de gaz et de poussière sont elles aussi très au dessous de ce qu'on mesure généralement pour des quasars à fort décalage vers le rouge. La valeur élevée de l'efficacité de formation d'étoiles situe la galaxie dans la partie haute de la distribution des galaxies, qu'elles soient à haut ou bas z: une fraction importante du volume gazeux semble avoir été épuisée à la suite d'une période de formation d'étoiles intense, laissant la galaxie à la frontière des galaxies hôtes de quasar à haut et bas z.