Cessation de la formation stellaire dans les galaxies : mécanismes et signatures

Quenching in galaxy formation : mechanisms and signatures

• Auteur / Autrice : Ioanna Koutsouridou
• Direction : Andrea Cattaneo
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Astronomie et Astrophysique
• Date : Soutenance le 06/01/2021
• Etablissement(s) : Université Paris sciences et lettres
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Astronomie et astrophysique d'Île-de-France (Meudon, Hauts-de-Seine ; 1992-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d’étude du rayonnement et de la matière en astrophysique et atmosphères (Paris ; 2002-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Observatoire de Paris (1667-....)
• Jury : Président / Présidente : Françoise Combes
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Andrea Cattaneo, Samuel Boissier, Alessandro Boselli, Jérémy Blaizot, Nicolas Prantzos
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Samuel Boissier, Alessandro Boselli

Mots clés

Mots clés contrôlés

Cosmologie

Galaxies

Mots clés libres

Galaxies

Modèles

Cosmologie

Models

Cosmology

Galaxies

Résumé

La bimodalité des galaxies est une caractéristique fondamentale de l’Univers, qui se manifeste dans la corrélation entre plusieurs propriétés. Les galaxies avec formation stellaire sont des spirales bleues à faible métallicité. Les galaxies passives sont des elliptiques rouges avec des métallicités beaucoup plus importantes. Les observations montrent que l'appartenance à une catégorie ou l’autre est liée à la masse et l’environnement d’une galaxie, mais les mécanismes physiques qui produisent la bimodalité restent un sujet de débat.Dans cette thèse, j’ai utilisé le modèle semi-analytique GalICS pour étudier les différents mécanismes qui peuvent arrêter la formation stellaire dans les galaxies et leurs effets sur les propriétés d’observation de la population galactique. Pour cela, j’ai développé dans GalICS un modèle détaillé de l'évolution chimique, qui prend en compte les abondances de plusieurs éléments et qui, couplé à un modèle d’évolution spectrale et à un modèle de poussières, permet de prédire les magnitudes et les couleurs des galaxies.Dans la première partie de la thèse, j’ai étudié comment les effets d'environnement contribuent à l'évolution chimique des galaxies satellites. L'étranglement est le processus par lequel le balayage par la pression dynamique du milieu intra-amas dans les amas de galaxies enlève le halo de gaz chaud qui entoure une galaxie satellite. La disparition de ce réservoir entraîne la fin de l'alimentation de la galaxie en gaz par l'environnement. Les galaxies étranglées peuvent atteindre des métallicités très élevées parce que leur milieu interstellaire n’est pas dilué par l’afflux de gaz de faible metallicité. Cependant, je trouve que, même si l'étranglement commence dès qu’une galaxie rentre dans un groupe ou un amas, cela ne suffit pas à expliquer la fraction de galaxies passifs dans la population des galaxies satellites. D'autres mécanismes plus forts, tels que la pression dynamique ou les marées sont nécessaires. Ces mécanismes compromettent pourtant les chances des satellites passives d'atteindre les metallicités observées. Les sursauts de formation stellaire induits par la la pression dynamique ou les marées constituent une manière grâce à laquelle les galaxies peuvent consommer tout leur gaz et atteindre en même temps des metallicités stellaires élevées.Dans la deuxième partie de la thèse, j’ai affronté le problème du rôle des trous noirs supermassifs dans la formation de la population de galaxies rouges massives. Mes résultats sont cohérents avec un scénario évolutif dans lequel la rétroaction du trou noir central devient importante lorsque l’énergie déposée par le trou noir dans le gaz environnant est égale à quatre fois son énergie de liaison gravitationnelle. Passé ce seuil, tout gaz froid dans le milieu intergalactique et circumgalactique est éjecté (ou converti en étoiles dans une flambée de formation stellaire pour le premier), et le gaz chaud environnant est amené à très haute entropie, de sorte que son temps de refroidissement devient très long. Mon travail montre que ce scénario est capable d'expliquer simultanément : 1) la fonction de masse des galaxies ainsi bien que son évolution au cours du temps cosmique, 2) les aspects fondamentaux de la distribution du taux de formation stellaire spécifique et la fraction de galaxies passives en fonction de la masse stellaire, 3) la composition morphologique de la population galactique, 4) la relation entre la masse du trou noir et la masse stellaire pour différents types morphologiques, et 5) la relation entre formation stellaire et morphologie.

One of the key components of our Universe is the observed bimodality in the distribution of galaxies, expressed as a pronounced correlation among star formation activity, galaxy morphology, optical color and metallicity. While star-forming galaxies exhibit disc-like morphologies, blue colors and lower metallicities, quiescent galaxies display elliptical morphologies, red colors and high metallicities. Observations have shown that the suppression of star formation (quenching) is a strong function of both galaxy mass and the environment. Yet, the mechanisms involved are still hotly debated.In this thesis, I have used the GalICS semi-analytic model of galaxy formation and evolution to investigate different quenching mechanisms and their observable signatures in the galaxy population. To this end, I have implemented in GalICS a detailed model of chemical enrichment, which predicts the evolution of several elemental abundances, as well as a spectrophotometric model coupled with a dust extinction model to enable the prediction of magnitudes and colours.In the first part of the thesis, I study how environmental processes contribute to the quenching and chemical enrichment of satellite galaxies. Strangulation, i.e. the halt of gas accretion onto satellites, refers to the efficient removal of the hot gas reservoirs of satellite galaxies by the ram-pressure exerted on them as they fall inside massive haloes. Galaxies evolving under strangulation can reach higher stellar metallicities, since their star-forming gas is not diluted by inflows of metal-poor gas. However, I find that even if strangulation begins at the time of entry in a group or cluster, strangulation is not sufficient to reproduce the observed passive fractions of satellites. Stronger quenching mechanisms, such as ram-pressure or tidal stripping of the cold gas within galaxies, are required, but these compromise the chances for passive satellites to enrich to the observed metallicities. Bursts of star formation induced by ram-pressure or tidal interactions provide a channel through which satellite galaxies can simultaneously exhaust their gas reservoirs and reach high stellar metallicities.In the second part, I address the role of feedback from supermassive black holes in the buildup of the passive population at high masses. My results are consistent with an evolutionary scenario in which black-hole feedback becomes important by the time the central black hole has deposited into the surrounding gas an energy equal to about four times its gravitational binding energy. Once that happens, all the cold gas in the interstellar medium or the circumgalactic medium is blown out or converted into stars through a starburst in the case of the former, while the hot gas is brought to a high-entropy state, so that its cooling time becomes very long. My work shows that this scenario can simultaneously explain: 1) the galaxy stellar mass function and its evolution with cosmic time, 2) the key features of the distribution of specific star-formation rate and the fraction of passive galaxies as a function of stellar mass, 3) the morphological makeup of the galaxy population, 4) the relation between black-hole and stellar mass for different morphological types, and 5) the relation between star formation and morphology.