GEPI

Directeurs de thèse :

• François Hammer (Observatoire de Paris)
• Mathieu Puech (Observatoire de Paris)

Cette thèse s’inscrit dans le cadre de l’étude de la formation et de l’évolution des galaxies. L’évolution des galaxies de masses intermédiaires (M*>10¹⁰ M_☉) à z<1 commence à être bien contrainte grâce à l’apport des grands relevés photométriques et spectroscopiques depuis le sol et l’espace. Tel n’est cependant pas le cas pour les galaxies de plus faible masse, dont l’étude est limitée à l’Univers local du fait de leur faible luminosité. Cette même limitation restreint également l’étude des galaxies à faible brillance de surface, pour lesquelles aucune étude à z>0.1 n’a encore été entreprise. Je montrerai dans la première partie de ce manuscrit que les études de galaxies LSB jusqu’à ce jour dans l’Univers local souffrent non seulement d’une absence d’homogénéité quant à la méthode de sélection des échantillons et la définition du régime à faible brillance de surface, mais sont de plus basés sur des échantillons dont la représentativité n’est pas maîtrisée du fait d’une absence de sélection en masse. Je présente ensuite l’étude morphologique de deux échantillons complets de galaxies, sélectionnés sur l’unique critère de leur magnitude absolue dans une bande rouge Mr < -18. Ces deux échantillons sont représentatifs de la population de galaxies locales de masse M* > 10⁹ M_☉ et de leur contreparties il y a 5 milliards d’années. Le profil de lumière à deux dimensions de chaque galaxie a été décomposé en un bulbe, un disque et une barre, en utilisant pour les deux époques de l’Univers, des images de même qualité en terme de profondeur et de résolution, et dans la même bande photométrique rouge au repos. L’analyse du profil de lumière, couplé à l’information couleur, a permis de classer chaque galaxie en elliptiques, spirales, lenticulaires et particulières, suivant un arbre de décision destiné à assurer la reproductibilité et l’objectivité de la classification. Cette étude a mis en évidence que les galaxies sub-M* à z=0 suivent une séquence de Hubble similaire à celle des galaxies plus massives, avec cependant un plus grand nombre de galaxies particulières et de galaxies à faible brillance de surface. Cette tendance persiste à z∼0.5, suggérant que les galaxies sub-M* n’ont pas encore atteint leur stade de relaxation, contrairement aux galaxies plus massives. Il a été découvert également que plus de 10% des galaxies sub-M* à disque à z=0,5 ont un disque à faible brillance de surface, arborant des morphologies perturbées, et des rayons d’échelle de disque comparable à celui de M31 alors que leur masse stellaire est proche de celle du grand nuage de Magellan.

L’étude des galaxies sub-M*, des galaxies naines autant que des galaxies à faible brillance de surface a de plus grands décalages spectraux ne sera possible qu’avec la sensibilité qu’offriront les futurs ELTs. Par ailleurs, dans un scénario hiérarchique de formation des galaxies, dans lequel les étoiles sont supposées s’assembler en structures de plus en plus grandes et massives par fusions successives de structures plus petites, on s’attend à ce que le nombre de galaxies naines augmente fortement avec le décalage spectral, rendant indispensables des observations multi-objets. La deuxième partie de cette thèse s’inscrit ainsi dans l’étude préparatoire de MOSAIC, un concept de spectrographe multi-objets intégrale de champ destiné au futur E-ELT. L’un des objectifs scientifiques majeurs de cet instrument est la détection des premières galaxies de l’Univers et des sources de la réionisation. Afin de contraindre les spécifications haut niveau de l’instrument, des simulations instrumentales end-to-end, utilisant le simulateur WEBSIM, ont été conduites : la détection de la raie Lyman-alpha et du break Lyman dans des spectres de galaxies à z∼9 ont été simulées, ainsi que la détection des raies UV insterstellaires en absorption dans des spectres de galaxies à z∼7. L’observation de ces sources à grand décalage spectrale a été simulée dans les deux modes instrumentaux que comportera MOSAIC : le mode haute définition utilisant des IFUs assistés par optique adaptative multi-objets (MOAO) et le mode haut multiplex dans lequel le flux est simplement intégré dans l’ouverture de la fibre, et assisté seulement par la GLAO de l’E-ELT. L’exploitation du résultat de ces simulations montrent que le cas le plus contraignant est la détection des raies UV interstellaires, qui nécessite l’utilisation d’IFUs avec une taille optimale de pixels de 80 mas. Il serait alors possible de détecter ces raies dans des galaxies de magnitudes jusqu’à J∼27 en 40 hrs d’exposition. Les LAEs et LBGs devraient être détectables jusqu’à respectivement J∼29 et J∼27 en seulement 10 heures d’exposition dans le mode haut multiplex, avec une ouverture optimale entre 400 et 600 mas. Cette limite est repoussée à J∼30 et J∼28 respectivement en utilisant le mode haute définition avec le même temps d’exposition. Ces premiers résultats sont très prometteurs quant aux performances que l’on pourra attendre d’un tel instrument, en profitant d’une utilisation couplée des deux modes instrumentaux. Ils confirment également la nécessité d’un MOS sur l’E-ELT pour apporter une nouvelle lumière sur les populations de galaxies à z>>1.