Dévoiler la naissance des premières galaxies massives avec le télescope spatial James Webb

Revealing the birth of the first massive galaxies with the James Webb Space Telescope

• Auteur / Autrice : Maxime Tarrasse
• Direction : David Elbaz
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Astronomie et Astrophysique
• Date : Inscription en doctorat le 03/10/2022
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Astronomie et astrophysique d'Île-de-France (Paris ; 1992-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Astrophysique Instrumentation Modélisation
• Partenaire(s) de recherche : Référent : Université Paris-Saclay. Faculté des sciences d’Orsay (Essonne ; 2020-....)

Mots clés

Mots clés libres

Galaxies à grands redshift

Evolution des Galaxies

Astronomie Infrarouge

High-redshift galaxies

Infrared Astronomy

Galaxy Evolution

Résumé

Les galaxies massives peuvent être classées en deux catégories : les galaxies spirales à formation d'étoiles et les galaxies elliptiques passives. Les elliptiques sont nées dans les premiers milliards d'années de l'histoire cosmique et la recherche de leur ancêtres est l'un des graals de l'astrophysique. Au cours des années passées, notre équipe a découvert une population de galaxies entièrement invisibles, même dans les plus profondes images du télescope spatial Hubble. On les appelle les galaxies 'optiquement invisibles', ou encore HST-dark, ou H-dropouts, car elles sont invisibles jusqu'à la longueur d'onde de 1,6 microns de la bande H. Alors qu'on les pensait anecdotiques, nos travaux ont montré qu'elles étaient responsables de la très large majorité de la formation d'étoiles au sein des galaxies massives pendant les deux premiers milliards d'années d'histoire de l'univers. Avec le lancement réussi du JWST et grâce aux deux programmes cosmologiques majeurs dans lesquels nous sommes impliqués (CEERS et PRIMER), nous allons pouvoir étudier ces galaxies en détail sur la période des deux premiers milliards d'années d'histoire de l'univers, i.e. à des décalages spectraux supérieurs à z=3. Le JWST permettra d'analyser la distribution des étoiles au sein des galaxies HST-dark déjà détectées, d'en déterminer la distance (le redshift) qui reste incertaine, ainsi que la masse stellaire, mesures nécessaires à un bilan robuste de leur contribution à l'origine des galaxies elliptiques. Mais il permettra aussi d'en découvrir de nouvelles et de mesurer ces mêmes propriétés afin d'obtenir une vision complète de la naissance des galaxies les plus massives de l'univers. Ces galaxies ne naissent pas n'importe où, elles se trouvent dans des surdensités de galaxies comme nous avons déjà pu en trouver des indices forts dans nos études précédentes, nous utiliserons donc ces galaxies dans cette troisième étape pour identifier des proto-amas de galaxies distants. Enfin, cette population de galaxies massives et de proto-amas de galaxies servira de benchmark pour les modèles de formation des galaxies et des amas auxquels nous les comparerons afin de savoir s'ils sont capables d'en rendre compte. Il existe déjà des premiers éléments qui suggèrent l'existence d'une tension entre théorie et observations, mais ces éléments restent à confirmer.

Massive galaxies can be classified into two categories: star-forming spiral galaxies and passive elliptical galaxies. Ellipticals were born in the first billions of years of cosmic history and the search for their ancestors is one of the grails of astrophysics. Over the past few years, our team has discovered a population of galaxies that are entirely invisible even in the deepest images of the Hubble Space Telescope. They are called 'optically dark' galaxies, or HST-dark, or H-dropouts, because they are invisible down to the 1.6 micron wavelength of the H-band. While thought to be anecdotal, our previous studies have shown that they were responsible for the vast majority of star formation within massive galaxies during the first two billion years of the universe's history. With the successful launch of the JWST and thanks to the two major cosmological programs in which we are involved (CEERS and PRIMER), we will be able to study these galaxies in detail over the first two billion years of the universe's history, i.e. at redshifts greater than z=3. The JWST will allow us to analyze the distribution of stars within the HST-dark galaxies already detected, to determine their distance (their redshift) which remains uncertain, as well as their stellar mass. These measurements are necessary for a robust assessment of their contribution to the origin of elliptical galaxies. But it will also allow us to discover new ones and to measure these same properties in order to obtain a complete vision of the birth of the most massive galaxies of the universe. These galaxies are not born just anywhere, they are found in galaxy overdensities as we have already found strong clues in our previous studies, so we will use these galaxies in this third step to identify distant proto-clusters of galaxies. Finally, this population of massive galaxies and proto-clusters of galaxies will serve as a benchmark for the models of galaxy and cluster formation to which we will compare them to see if they are able to account for them. There is already some initial evidence that suggests a tension between theory and observations, but this evidence remains to be confirmed.