ÉVOLUTION DES GALAXIES DANS LES DOMAINES X ET

ÉVOLUTION DES GALAXIES
DANS LES DOMAINES X ET OPTIQUE
HISTOIRE DE LA FORMATION D’ÉTOILES
ET DE LA MÉTALLICITÉ
Thèse présentée le 27 Octobre 2003 à l’Institut d’Astrophysique par
Damien Le Borgne
pour obtenir le grade de Docteur de l’Université Paris Sud XI
Spécialité : Astrophysique et méthodes associées
Devant la commission d’examen :
Président du jury : Guillaume Pineau-des-Forets
Directrice de thèse : Brigitte Rocca-Volmerange
Rapporteur : Jacqueline Bergeron
Rapporteur : Martin Ward
Examinateur : Günther Hasinger
Examinateur : Jean Ballet
Invité : David Elbaz

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Remerciements
Mes remerciements vont d’abord à Brigitte qui a été pour moi une directrice de thèse remar-
quable. Sa gentillesse, sa très grande disponibilité, et ses conseils avisés ont été de nombreuses
fois extrêmement précieux au cours de ses trois années. Elle m’a proposé un sujet d’un grand
intérêt, lié à un domaine de l’astrophysique en plein essor. De plus, elle a parfaitement bien
su m’aider à remédier aux quelques périodes de doutes, scientifiques ou personnels, qui ont
jalonné mon travail, et à préparer l’après-thèse.
J’aimerais également remercier les rapporteurs de mon jury, Jacqueline Bergeron et Martin
Ward, qui ont m’ont honoré en acceptant ce rôle, et qui ont eu la gentillesse de lire attentive-
ment et de critiquer de façon constructive mon manuscrit. Merci aussi à Jean Ballet, Guenther
Hasinger, et David Elbaz pour leurs nombreuses remarques et leurs commentaires précieux.
Enfin, je suis très reconnaissant à Guillaume Pineau-des-Forêts d’avoir accepté de présider ce
jury.
Ma thèse s’est déroulée dans des conditions matérielles excellentes, et je le dois à tout le
personnel technique, au service informatique, et à la direction de l’IAP.
Merci aussi à l’équipe enseignante de l’École Polytechnique qui m’a permis d’accorder les
fonctions de moniteur que j’exerçais dans ses locaux ces trois années avec mes activités de
thèse.
Cette thèse ne se serait évidemment pas déroulée aussi agréablement sans mes nombreux
amis qui ont préparé la leur en même temps que moi. Merci à Maria, Bastien, Ester, Sébastien,
Fred, Rodriguo et Brice pour les innombrables pauses café, à Claudia et Gianfranco pour leurs
qualités de traducteurs, à Félix pour son extrême gentillesse et son aide technique précieuse.
Merci aux post-docs pour leur dynamisme, en particulier Nick , Niruj, et Carlos. Merci aussi à
Cyril, Fred (un autre), Baptiste et Philippe pour leur amitié et les boeufs endiablés qui nous ont
plusieurs fois réunis. Merci surtout à Jérémy, qui rentre dans un bon nombre de ces catégories,
et qui a bravement partagé mon bureau pendant ces trois années. Je n’oublierai pas nos nom-
breuses parties de XBlast et de Baby. Merci aussi à tous ceux que je n’ai pas cité, mais que je
garde en mémoire.
Merci enfin à ma famille pour son éternelle affection : mes parents, ma soeur, Tina, mes
grands-parents, et à Laure qui sait bien tout ce que je lui dois.
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Résumé
Nous présentons dans ce travail un couplage cohérent des distributions spectrales d’énergies de
galaxies évoluées aux longueurs d’onde X et optiques.
Les nouveaux télescopes spatiaux en orbite (XMM et CHANDRA) ainsi que les grands téles-
copes au sol (VLT) permettent aujourd’hui d’observer avec une grande précision les galaxies
proches comme les plus lointaines.
L’étude des sources de rayons X dans les galaxies met en évidence le rôle particulier des
étoiles en fin de vie. Parmi celles-ci, les restes de supernovae, les binaires X de faible masse et
les binaires X de grande masse sont des sources particulièrement brillantes. Du gaz chaud est
également présent dans les régions de formation d’étoiles et dans les galaxies elliptiques. Enfin,
l’absorption des photons X par le gaz froid du milieu interstellaire est souvent très grande aux
énergies inférieures à 1 keV.
L’association de la modélisation des spectres de ces sources avec un code de synthèse spec-
trale évolutive nous permet de prédire les spectres X de galaxies dont les histoires de for-
mation d’étoiles peuvent être très diverses. Nous étendons ainsi la couverture spectrale des
spectres synthétiques calculés jusqu’à présent dans les domaines ultraviolet, visible, et infra-
rouge proche. La force du modèle d’évolution est de pouvoir prédire de façon cohérente la
formation d’étoiles (qui se manifeste principalement dans l’optique), et la mort de ces étoiles
(dont les restes sont souvent des objets compacts émetteurs de rayons X). De plus, les mé-
tallicités du milieu interstellaire et des étoiles, qui évoluent au fur et à mesure que les étoiles
meurent, ont des signatures particulières dans tous ces domaines de longueur d’onde.
Nous présentons les résultats de spectres et de couleurs X obtenus pour tous les types
spectraux de galaxies. Nous expliquons les corrélation observées entre le taux de formation
d’étoiles, les luminosités en bande B et les luminosités aux longueurs d’onde X. Nous appli-
quons ensuite nos modèles à la prédiction des fonctions de luminosité X des galaxies normales,
puis nous estimons la fraction du fond diffus X qui peut être attribuée à ces galaxies.
L’étude de la formation d’étoiles et de l’évolution de la métallicité est faite conjointement
dans le visible. Nous construisons un code de synthèse spectrale automatique et nous l’appli-
quons à l’analyse de galaxies elliptiques proches. Nous présentons également une extension de
ce code, permettant d’estimer des décalages spectraux photométriques, et nous l’utilisons pour
analyser des galaxies lointaines.
Enfin, nous proposons une étude des raies en stellaires en absorption dans la lumière visible
des galaxies, en associant le code d’évolution PÉGASE à une bibliothèque stellaire à haute
résolution spectrale. Nous définissons alors deux nouveaux indices qui caractérisent bien l’âge
et la métallicité d’une population stellaire.
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