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Sujet de thèse de doctorat de l’université de Provence
Ecole Doctorale Physique et Sciences de la matière
Aix-Marseille Université
Sujet de la thèse :
Distribution des baryons et de la matière noire dans les galaxies spirales et
irrégulières depuis 6 milliards d’années (de z=1 à z=0)
Mots clefs : Galaxies – formation, évolution, cinématique, dynamique, baryons, matière noire.
Cosmologie – évolution des halos de matière noire, formation des structures
Nom du directeur de thèse habilité à diriger des recherches (HDR, collège A ou docteur d’Etat) : Philippe
AMRAM, HDR, Pr, Equipe Physique des Galaxies
Nom du co-directeur de thèse (non-HDR) : Laurence TRESSE (HDR prévue janvier-février 2012), AstronomeAdjointe, Equipe Cosmologie
Adresse des directeurs de thèse : LAM, Technopole de Château Gombert
Résumé.
L’objectif de cette thèse est d’étudier l’évolution de la masse et la distribution de masse baryonique et
de matière noire dans des galaxies spirales et irrégulières sur une période s’étendant sur 6 milliards d’années
(0<z<1), en apportant une contribution cinématique et dynamique originale.
Objectif scientifique.
Cette thèse s’inscrit dans la mouvance du déchiffrement de l’histoire de l’évolution et de l’organisation
de l’Univers, et en particulier des galaxies, pour en retracer l’histoire sur une période qui couvre environ 50%
des 13.7 milliards d’années de l’âge de l’univers (0<z<1). L’étude de l’évolution des galaxies est un enjeu
majeur de l’astrophysique moderne. Un des objectifs principaux est de comprendre les processus physiques
qui gouvernent l’assemblage des galaxies dans le cadre du modèle cosmologique ΛCDM dans lequel la
formation des galaxies est gouvernée par la croissance gravitationnelle des halos de matière noire et par la
dynamique du gaz dans ces halos. Alors que la description globale du contenu baryonique des galaxies à z<1
est désormais bien connue (morphologie, masse stellaire, taux de formation d’étoiles, etc.), il est crucial
d’étudier leur dynamique qui permet de relier la masse baryonique à la masse totale des halos de matière
noire. Ces études encore difficiles à mener sur de larges échantillons de galaxies vont connaître un essor
certain avec les instruments mis en place dans les grands observatoires.
L’objectif de cette thèse est d’analyser la masse ordinaire (baryonique) et la masse contenue dans la
matière noire dans les galaxies proches et distantes en utilisant des données de qualité et des méthodes
innovantes. Pour les galaxies les plus proches, l’objectif est de déterminer la distribution radiale de la masse
baryonique et non baryonique. Pour les galaxies plus distantes pour lesquelles il n’est pas possible de connaitre
la distribution radiale de masse, la compréhension de la relation de Tully-Fisher qui relie également le contenu
baryonique au contenu total (baryonique plus non baryonique) des galaxies spirales est un enjeu majeur pour
comprendre la formation et l’évolution.
Matériel observationnel.
La réalisation de ce travail de thèse passe par l’utilisation des observations déjà obtenues et
disponibles (imagerie et cinématique) de galaxies proches et lointaines : à partir des données de GHASP pour
les galaxies proches et à partir des données du relevé dynamique HR-COSMOS pour les galaxies plus
distantes.
Il s’agit d’une part du sondage GHASP (Gassendi H-Alpha survey of SPiral and Irregular galaxies,
http://fabryperot.oamp.fr/PerotFabry/), constitué par un échantillon de 200 cubes de données de galaxies
spirales et irrégulières de tout type morphologique et de toute luminosité. Il représente un échantillon de
référence pour l'étude de la cinématique des galaxies proches et lointaines. Les observations ont été réalisées
avec un Fabry-Perot à balayage qui permet d'obtenir des cubes de données (i.e. un spectre pour chaque point
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du champ bidimensionnel). L’ensemble de l’échantillon est publié et les données, prêtes à être exploitées, sont
également disponibles.
Il s’agit d’autre part du sondage HR-COSMOS (HR - pour Haute Résolution - i.e. R=2500, sélectionnées
dans le champ HST-ACS/COSMOS qui est constitué par un échantillon complet de 800 galaxies à différent
décalage spectral (0<z<1) observées à partir de l’instrument VLT/VIMOS (PI: L. Tresse). Les données sont
également disponibles et en cours de réduction.
Méthodes et objectifs directs.
La méthode repose sur la complémentarité des approches adaptée à la résolution spatiale et spectrale
des données en fonction de la distance des galaxies.
GHASP : pour les galaxies spirales locales, il s’agit de modéliser la distribution de masse baryonique
des galaxies en utilisant des données de photométrie de surface et les contraintes apportées par les modèles
d’évolution stellaire (e.g. Bell & de Young, ApJ 2001, 550, 212 ; De denus Baillargeon, PhD 2012). La
distribution de matière sombre sera déduite des courbes de rotation et de la distribution de masse baryonique
en utilisant différents profils de densité pour la matière noire. Un des objectifs majeurs est de vérifier une
prédiction récente des simulations numériques, à savoir que les galaxies tardives (sans bulbe) devraient avoir
une distribution de matière noire moins pentue dans les régions centrales des galaxies que les galaxies spirales
précoces (avec bulbe, Governato et al., 2010, Nature, 463, 203). L’éjection, hors du disque des galaxies, du
gaz à faible moment angulaire par les vents des supernovae induirait une perte d’énergie de liaison
gravitationnelle entre les baryons et la matière noire, causant l’expansion du halo de matière noire qui
deviendrait moins dense au centre. Cette vérification permettrait de réconcilier à l’échelle du kpc les modèles
cosmologiques (ΛCDM) et les observations.
HR-COSMOS : pour les galaxies spirales plus distantes, il s’agit d’utiliser des données obtenues avec
l’instrument VIMOS du VLT en mode «tilted-slits», ce mode permet de choisir la position de l’orientation de la
fente du spectrographe afin d’optimiser les observations. Ces données vont permettre d’extraire la cinématique
d'un échantillon statistiquement large et représentatif de galaxies à formation d'étoiles, et ainsi d'être en
capacité d'étudier les résultats en fonction de plusieurs paramètres déjà dérivés et disponibles des galaxies de
COSMOS (masse stellaire, taux de formation d’étoiles, métallicité, morphologie, environnement, etc.) Les
objectifs sont d'extraire les masses dynamiques, et les masses des halos de matière noire, d'étudier les
relations vitesse-luminosité (relation de Tully-Fisher) en fonction du décalage spectral, et de les confronter aux
propriétés des galaxies de COSMOS. Egalement, il sera possible pour la première fois d’étudier l’évolution de
ces propriétés au sein de halos de matière noire de même masse sur une période de 6 milliards d’années. Le
champ COSMOS fait d’autre part l’objet de nombreuses études complémentaires (VIMOS-ESO, HERSCHELESA, GALEX-CNES, VISTA-ESO, ALMA-ESO, etc).
Perspectives.
Au delà des résultats scientifiques attendus, les outils développés permettront de préparer l’analyse des
résultats des instruments de nouvelle génération pour le VLT comme MUSE ou KMOS, destinés à l’étude des
cinématiques, ainsi que les spectrographes-imageurs futurs pour les ELTs, en particulier pour l’E-ELT. Ces
outils pourraient également permettre d’estimer de manière quantitative, en utilisant des simulations
instrumentales et scientifiques, les performances de la mission EUCLID (sélectionnée par l’ESA, mise en orbite
prévue en 2019) pour mesurer la vitesse de rotation de centaines de milliers de galaxies résolues afin d’étudier
la relation de Tully-Fisher pour les galaxies à disque à l’aide de l’instrument NISP. La faible résolution spectrale
de l’instrument NISP (R=250, 1200 km/s) sera compensée par l’étalement des galaxies sur plusieurs pixels
indépendants. Toujours pour étudier la relation de Tully-Fisher, ces outils pourraient aussi servir à l’exploitation
des grands relevés cosmologiques à basse résolution spectrale au sol (LSST, Subaru/PFS, Mayall/BigBOSS,...)
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