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Contraintes morphologiques et multi-longueurs d’onde sur la croissance parallèle des galaxies et de leurs trous noirs super-massifs – MORPHOSTAR

Contraintes morphologiques et multi-longueurs d’onde sur la croissance parallèle des galaxies et de leur trous noir super-massif

MORPHOSTAR est un programme original visant à relier simultanément les caractéristiques morphologiques des galaxies à formation stellaire de l'Univers distant avec (i) la masse stellaire qu'elles ont déjà acquise, (ii) leur taux de formation d'étoiles et (iii) l'activité liée à l'accrétion de matière autour de leur trou noir central. Ce travail se base sur l'exploitation d'images obtenues par le télescope spatial Hubble, couplée à des simulations hydrodynamiques de formation des galaxies.

Une nouvelle approche pour mieux comprendre les propriétés structurelles des galaxies au pic de l'histoire cosmique de la formation d'étoiles

Jusqu'à présent la morphologie des galaxies distantes a été en grande partie explorée comme une propriété secondaire des sources d'abord sélectionnées en fonction d'autres paramètres comme leur masse stellaire, leur couleur optique ou leur luminosité monochromatique dans l'infrarouge, la radio ou les rayons X. Puisque ces sélections souffrent de leur propre biais, ceci a conduit à de nombreux désaccords sur les mécanismes gouvernant la formation des galaxies. Visant à une compréhension moins biaisée de cette problématique, nous avons conduit un nouveau programme ambitieux avec deux principaux aspects: (i) les propriétés structurelles des galaxies distantes ont été caracterisées en fonction, simultanement, de leur masse stellaire, leur taux de formation d'étoiles (SFR) et leur activité nucléaire; (ii) les effets de sélection en SFR et taux d'activité nucléaire ont été minimisés grâce à la combinaison d'un grand nombre d'indicateurs multi-longueurs d'onde et de diagnostics. Un tel effort global n'a jamais été mené jusqu'à présent et nous a permis des avancées significatives sur notre compréhension de la formation des galaxies: <br /> <br />* La morphologie des galaxies a été déterminée non seulement à partir des images publiques d'ACS/HST mais également des longueurs d'onde optiques au repos grâce aux données de la camera WFC3. Ces dernières ont fourni des informations critiques sur les propriétés structurelles du composant stellaire des galaxies distantes, avec moins de biais provenant de l'extinction des poussières. <br /> <br />* L'activité de formation stellaire a été quantifiée grâce aux observations les plus profondes jamais realisées dans l'infrarouge lointain par le satellite Herschel. <br /> <br />* Une vue moins biaisée sur la présence des noyaux actifs a été obtenue en combinant de nouveaux diagnostics de raies avec des sélections en X et en infrarouge moyen. <br /> <br />* Des comparaisons détaillées ont été établies entre les morphologies observées et les signatures attendues des simulations.

MORPHOSTAR a été mené grâce à des échantillons complets de galaxies sélectionnées dans deux des champs cosmologiques les mieux couverts jusqu'à présent : le champ COSMOS et le champ du «Hubble Ultra Deep Field» (HUDF). Nous avons mis en œuvre des techniques d’analyse ou de sélection de sources toutes nouvelles, ce qui nous a permis des progrès majeurs sur les modes de formation des galaxies distantes et sur la croissance de leur trou noir :

- l’analyse des galaxies du HUDF a été réalisée à partir des images à haute résolution obtenues avec le télescope Hubble. Nous avons reconstitué pixel-à-pixel leur distribution spectrale d’énergie en optique et infrarouge proche, et leur ajustement à l’aide de modèles d’émission stellaire nous a permis d’établir des cartes résolues en densité surfacique de masse stellaire et de taux de formation d’étoiles. Les contraintes physiques apportées par ces nouvelles cartes ont été validées grâce à des simulations hydrodynamiques de formation de galaxies réalisées au sein de notre groupe.

- l’analyse de la distribution spectrale d‘énergie des galaxies à noyau actif du champ COSMOS a été obtenue grâce à l’extension d’un code d’ajustement de modèles disponible publiquement, extension que nous avons réalisée conjointement avec les auteurs de ce code. Cette nouvelle version, qui sera elle aussi rendue publique d’ici peu, permet donc de séparer la contribution de l’émission stellaire et la contribution de l’émission du noyau actif, sur une plage de longueurs d’onde allant de l’ultra-violet jusqu’à l’infrarouge lointain.

- nous avons enfin focalisé une partie de notre étude sur des régions de formation stellaire non pas sélectionnées à partir d’imagerie en bande large mais observées via certaines de leurs raies d’émission du gaz ionisé. Cette technique permet une sélection de sources plus directement corrélée à leur activité instantanée de formation d’étoiles, puisqu’elle ne dépend pas (ou peu) du continuum stellaire sous-jacent.

Notre analyse des données du télescope Hubble a mené à la découverte d’une activité de formation stellaire dans un «clump» géant (masse > 10^9 Msun) extrêmement jeune (âge inferieur à 10 millions d’années), au sein d'une galaxie distante (cf illust.). Ces «clumps» sont caractéristiques de la morphologie des galaxies lointaines mais les tous premiers stades de leur formation n’avaient jamais été observés jusqu'à présent. Les contraintes que nous avons obtenues sur l’efficacité de formation stellaire pendant cette phase démontrent qu'ils expérimentent une activité de type «starburst» à leur naissance, pendant laquelle les étoiles se forment plus efficacement qu’on ne l’observe au sein des disques sur des échelles de temps plus longues. Nos résultats montrent également qu’ils sont capables de survivre à l’effet des vents stellaires sur plusieurs centaines de millions d’années. Cette longue «espérance de vie» pourrait leur laisser le temps de migrer vers les régions centrales des galaxies où ils se forment, contribuant ainsi à la croissance des bulbes dans l’Univers distant.

Par ailleurs, les travaux que nous avons menés dans le champ COSMOS se sont focalisés sur l’identification des noyaux actifs enfouis et l’étude de la morphologie des galaxies qui les hébergent. Nous avons démontré que l’image moyenne de ces galaxies apparaissait beaucoup plus compacte que celle des autres galaxies du champ. Nous pensons que ces objets ont subi récemment un phénomène de contraction dynamique. D’après les simulations hydrodynamiques à haute résolution conduites ces dernières années, cette contraction pourrait faire suite aux violentes instabilités gravitationnelles qui se déclenchent naturellement au sein du disque des galaxies riches en gaz dans l’Univers lointain. Ce mécanisme pourrait ainsi favoriser l’acheminent du gaz et de la matière du milieu interstellaire vers le cœur des galaxies, alimentant par la même occasion l’activité d’accrétion de leur trou noir central.

Les résultats qui ont découlé de MORPHOSTAR font maintenant l’objet de différents suivis (observations complémentaires, application des diagnostics établis au sein du projet), dans lesquels nous sommes toujours impliqués. La découverte de très jeunes régions de formation stellaire dans des galaxies distantes a donné lieu à du suivi plus détaillé des propriétés physiques de ces régions, notamment à l’aide de l’interféromètre millimétrique ALMA et du spectrographe intégral de champ MUSE qui équipe le «Very Large Telescope» au Chili (données actuellement en cours d’exploitation). Les diagnostics de classification morphologique que nous avons mis en place à partir des cartes de densité surfacique de masse stellaire pour les galaxies distantes ont été récemment appliqués à la détermination du taux de fusions et d’interactions à diverses époques de l’histoire cosmique, notamment dans le but de contraindre la nature des galaxies en mode «starburst». Enfin, les contraintes sur la taille des galaxies hébergeant un noyau actif enfoui ont donné lieu à de nouveaux programmes d’observations sur l’interféromètre ALMA, afin de contraindre plus précisément la distribution spatiale de la formation d’étoiles dans ces objets.

1. « An extremely young massive clump forming by gravitational collapse in a primordial galaxy », Zanella, A. et al., 2015, Nature 521, 54

2. « A Physical Approach to the Identification of High-z Mergers: Morphological Classification in the S

La presence d'elliptiques massives, de grands disques en rotation et de trous noirs super-massifs a grand redshift revele qu'une croissance et une evolution rapides de la structure des galaxies se sont produites des les premiers millards d'annees de l'histoire cosmique, non seulement grace a des phenomenes "externes" comme les fusions de galaxies mais egalement par des mecanismes internes comme les instabilites dans les disques, la turbulence et les phenoemes de retroaction. Cependant, le role exact que chacun de ces diffrents processus a pu jouer dans le croissance des structures reste encore peu contraint par les observations. Nous proposons un programme original avec pour but de quantifier la contribution des differents modes d'assemblage des galaxies, avec notamment une attention toute particuliere quant aux mecanismes qui ont gouverne la croissance parallele des bulbes et de leurs trous noirs. Dans ce but, nous combinerons des observations uniques de l'Univers profond a 1<z<3 avec des simulations hydrodynamiques ultra-modernes, afin de relier l'evolution de la morphologie des galaxies avec simultanement leur masse stellaire, leur taux de formation d'etoiles et leur activite nucleaire. Une telle approche tri-dimentionnelle de l'evolution de la morphologie des galaxies au cours de l'histoire cosmique n'a jamais ete exploree jusqu'ici et devrait conduire a des progres significatifs sur notre comprehension de la formation des structures. En particulier, notre projet aura pour but de determiner: <br />
(i) a l'echelle des galaxies individuelles, comment la morphologie a pu varier en fonction de la masse stellaire, du taux de formation d'etoile, de l'activite nucleaire ainsi que du redshift;
(ii) a l'echelle cosmologique, comment les differents processus qui ont gouverne l'evolution des galaxies ont contribue a l'histoire cosmique de la croissance de la masse stellaire et des trous noirs.
(iii) l'histoire de la transformation morphologique des galaxies au cours de l'histoire de l'Univers.

Notre equipe au CEA beneficie d'un acces privilegie a des jeux de donnees multi-longueurs d'onde de l'Univers distant parmi les meilleurs obtenus jusque la, incluant de nouvelles images a haute resolution spatiale obtenues par HST/WFC3 dans les champs GOODS et COSMOS, des observations ultra-profondes en IR lointain et dans les rayons X prises avec les satellites Herschel et Chandra, ainsi que de spectroscopie au sol et une grande collection de redshifts. Notre expertise inclut la caracterisation detaillee des proprietes physiques des galaxies (distributions spectrales d'energie, diagnostics d'activite, dynamique du gaz, ...) et nous developpons actuellement d'importantes simulations hydrodynamiques de la formation des structures afin d'interpreter l'evolution de la structures des galaxies observee dans le contexte cosmologique global. Dans notre groupe cependant, la caracterisation de la morphologie des galaxies n'a pas ete poussee en tant que priorite jusqu'ici, et nous manquons une expertise dans ce domaine. Nous demandons donc un soutien de l'ANR afin de financer une position non-permanente de 3 ans pour un chercheur exterieur ayant une grande experience dans la morphologie des galaxies distantes. Cette position supplementaire viendra completer notre expertise actuelle et nous aidera ainsi a creer la synergie necessaire pour mener a bien notre projet. Le cout total de notre projet s'eleve a 1,271,603 Euros et l'aide financiere que nous demandons a l'ANR est de 205,920 Euros (16%).

Coordinateur du projet

Monsieur Emeric LE FLOC'H (Commissariat a l'Energie Atomique et aux Energies Alternatives) – emeric.lefloch@cea.fr

L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.

Partenaire

CEA/IRFU(AIM) Commissariat a l'Energie Atomique et aux Energies Alternatives

Aide de l'ANR 189 996 euros
Début et durée du projet scientifique : mars 2013 - 48 Mois

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