La Formation des Métaux et Poussières à haut redshift par le JWST et la Spectroscopie au Sol

The Rise of Metals and Dust at z > 8.5 from JWST and Ground-based Spectroscopy

• Auteur / Autrice : Tim Dewachter
• Direction : Jean-Claude Bouret, Denis Burgarella
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : PHYSIQUE & SCIENCES DE LA MATIERE - Spécialité : ASTROPHYSIQUE ET COSMOLOGIE
• Date : Inscription en doctorat le 01/10/2024
• Etablissement(s) : Aix-Marseille
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole Doctorale Physique et Sciences de la Matière
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LAM - Laboratoire d'Astrophysique de Marseille

Mots clés

Mots clés libres

Astrophysique

Spectroscopie

Galaxies

Métallicité

Astrophysics

Spectroscopy

Galaxies

Metallicity

Résumé

Les constituants élémentaires de l'univers sont les suivants : 73% d'énergie noire, 23% de matière noire et 4% de baryons. Les métaux représentent ~2% de ces baryons. Cependant, ceux-ci sont un élément essentiel dans de nombreux processus physiques : refroidissement du gaz dans la formation stellaire, composante essentielle des systèmes planétaires, briques de base de la vie. Comprendre les premières phases de formations de ces métaux, ainsi que leur lien avec les premières poussières dans l'univers primordial, constitue un objectif majeur en astrophysique et en cosmologie. Pour atteindre cet objectif, il nous faut détecter l'émission des premières populations stellaires à être apparues dans l'univers, de faible ou nulle métallicité (Pop III). L'objectif principal de cette thèse est d'identifier et de caractériser ces galaxies à z > 6, à travers la spectroscopie (en utilisant une nouvelle version de CIGALE). CEERS (et d'autres groupes) ont à ce jour déjà commencé à identifier et analyser ces galaxies à l'aide du JWST (e.g. Arrabal Haro, 2023, Fujimoto, Finkelstein & Burgarella 2023). Nous avons l'assurance de produire des résultats originaux durant cette thèse, en utilisant une méthodologie homogène (Boquien, Burgarella et al. 2019) à partir de l'intégralité des données spectroscopiques du JWST dans l'archive MAST, y compris sur de nouvelles données de CAPERS. Nous aurons également du temps garanti sur PFS et MOONS. Nous nous attendons à ce que ces galaxies soient de faible masse et de faible luminosité. Nous avons commencé à explorer la possibilité que certaines d'entre elles puissent être cachées dans le fond autour des cibles observées par NIRSpec. Dans ce but, nous devons optimiser la soustraction du fond des spectres 2D de NIRSpec, la soustraction par défaut n'étant pas assez efficace. Les statistiques sur MAST montrent que l'aire cumulée pour identifier les galaxies Pop III est de 1171 arcsec², ou 9.0e-5 deg². Dans cet angle solide, différents modèles produisent différentes prédictions pour le nombre de Pop III, de presque aucune à 300 plus massives que log10 (M⊙) = 7.5. Peu importe le nombre réel de détections de Pop III, nous poserons de fortes contraintes sur ces modèles. En plus de ces objectifs scientifiques directs, les modèles développés seront fondamentaux pour prédire les observations de projets tels que ELT/HARMONI, ELT/MOSAIC et SKA.

The basic constituents of the current Universe are: 73% dark energy, 23% dark matter and 4% baryons. Metals only account for around 2% of baryons. However, they form an essential element acting in many physical processes: they help cool gas clouds for star formation, they are a major component of planetary systems, and they are the building blocks of life. Understanding the first phases of the formation of metals, and the link with the first dust grains in the primordial Universe constitutes one of the major astrophysical and cosmological objectives. To meet this objective, we must detect the emission of the first stellar populations to appear in the Universe at very low metallicity, or at zero metallicity (Pop III). The main objective of this thesis is to identify and characterize submetallic galaxies and Pop III galaxies at z > 6, through spectroscopy (using a new version of CIGALE for spectroscopy). CEERS (and other groups) have already identified and begun to analyze submetallic galaxies using JWST (e.g. Arrabal Haro, 2023, Fujimoto, Finkelstein & Burgarella 2023). We have the assurance of producing original results during this thesis, using a homogeneous methodology (Boquien, Burgarella et al. 2019) from the entire JWST spectroscopic sample in the JWST MAST archives, including new data from CAPERS. We will also have guaranteed observation time on PFS and MOONS. We expect these galaxies to be faint low-mass objects. We have started to explore the possibility that some of them could be hidden in the background around NIRSpec's main target. To this aim, we need to optimize the background subtraction of NIRSpec 2D spectra (the pipeline subtraction is not efficient enough). Tests are very positive. Statistics from MAST show that the cumulative area to identify pop III galaxies amounts to 1171 arcsec² or 9.0e-5 sq. deg. In the corresponding solid angle, various models provide different predictions for pop III galaxies, from almost none, to about 300, down to log10 (M⊙) = 7.5. Whatever the observed detection rate of pop III galaxies, we will provide strong constraints for modelling this still elusive first galaxy population. Beyond these direct scientific objectives, the models developed in FIRSTs will be fundamental for predicting observations from projects such as ELT/HARMONI, ELT/MOSAIC and SKA.