Ecole Doctorale

Physique et Sciences de la Matière

Spécialité

PHYSIQUE & SCIENCES DE LA MATIERE - Spécialité : ASTROPHYSIQUE ET COSMOLOGIE

Etablissement

Aix-Marseille Université

Mots Clés

Carbon,Galaxies,Gaz,ISM,high-z,

Keywords

Carbon,Galaxies,gas,ISM,high-z,

Titre de thèse

Probing the gas reservoirs of high-z dusty galaxies using ALMA observations of atomic carbon
Probing the gas reservoirs of high-z dusty galaxies using ALMA observations of atomic carbon

Date

Mardi 22 Novembre 2022 à 14:00

Adresse

38 Rue Frédéric Joliot Curie, 13013 Marseille Amphithéâtre

Jury

Directeur de these M. Patrice THEULE Laboratoire d'Astrophysique du Marseille
CoDirecteur de these M. Matthieu BETHERMIN Laboratoire d'Astrophysique du Marseille
Examinateur Mme Veronique BUAT Laboratoire d'Astrophysique du Marseille
Examinateur Mme Nicole NESVADBA Observatoire de la Côte d’Azur
Rapporteur M. Pierre COX Institut d’astrophysique de Paris
Rapporteur M. Georgios MAGDIS Cosmic DAWN Center - DTU Space

Résumé de la thèse

La découverte de galaxies poussiéreuses à formation d'étoiles enveloppées de poussière (DSFG) dans l'Univers jeune a ouvert de nouvelles questions quant à la compréhension de la formation et de l'évolution des galaxies à travers les temps cosmiques. Grâce aux progrès techniques au cours des deux dernières décennies un nombre croissant d'observations a révélé une grande diversité dans la population des DSFGs. Certaines de ces galaxies, à grand décalage vers le rouge, présentent des taux de formation stellaires prodigieux (>500 Msun/an). Ces galaxies jouent un rôle vital dans la compréhension de la formation rapide de la masse stellaire des galaxies dans l'Univers jeune. La caractérisation du réservoir de gaz et du ISM de ces galaxies peut nous donner des informations clefs sur les mécanismes de formation stelalire de ces galaxies. Dans cette thèse, nous étudions une population de galaxies poussiéreuses à formation d'étoiles à partir de South pole telescope – submillimeter galaxies (SPT-SMG). Nous nous concentrons sur les raies d'émission du carbone neutre pour sonder le réservoir de gaz de nos galaxies. Dans le chapitre II, nous présentons les observations avec Atacama large millimeter/sub-millimeter array - Atacama compact array (ALMA-ACA), ciblant les raies d'émission [CI](2-1) et [CI](1-0) de 29 SPT-SMG galaxies. En combinant ces observations avec des observations complémentaires de CO à moyen et à petit-J et les estimations de la masse de la poussière de ces galaxies, nous sondons les propriétés du gaz et comparons la capacité de différents traceurs tels que le CI, le CO et la poussière. Nous étalonnons de manière croisée les paramètres &aCO , XCI et & GDR et trouvons un bon accord entre eux. Nous sondons également les propriétés de l'ISM en utilisant le rapport entre les raies de [CI/CO à moyen/haut J ainsi que le rapport [CI]/IR. Notre échantillon a des intensités de champ de radiation et des densités similaires à celles des SMGs mais plus élevées que celles des galaxies de la séquence principale à z~1 et galaxies locales. Nous contraignons également les températures cinétiques de l'ISM en utilisant les deux transitions [CI] et nous trouvons que la température d'excitation moyenne de notre échantillon est en accord avec celle des SMGs présentées dans la literature. Nous ne trouvons pas non plus de températures extrêmement élevées et la température d'excitation de [CI] est systématiquement inférieure à la température de la poussière, ce qui plaide contre les modèles de poussière de grande profondeur optique pour notre échantillon. modèles de poussière à grande profondeur optique pour notre échantillon. Dans le chapitre III, nous présentons des observations à haute résolution (∼0.4′′) de CO(7-6), [CI](2-1), et du continuum de poussière de trois galaxies lenticulaires à partir de l'échantillon SPT-SMG à z~3 avec ALMA. Nos sources ont des taux de formation stellaire intrinsèques élevés (>850 Msun/an) et des échelles de temps d'épuisement plutôt courtes (<100 Myr). D'après l'analyse du rapport résolu de [CI](2-1)/CO(7-6) et [CI](2-1)/IR, l'ISM de notre échantillon est hétérogène en termes d'intensité du champ de radiation et de gaz. Nous modélisons la configuration de l'effet de lentille gravitationelle de notre échantillon en utilisant un modèle de lentille basé sur la visibilité pour reconstruire la cinématique dans le plan source. Nous trouvons diverses cinématiques pour les sources de notre échantillon : SPT0103-45 et SPT2147-50 sont probablement des disques en rotation, tandis que SPT2357-51 est peut-être une très grande galaxie en fusion. De plus, nous estimons la masse dynamique des rotateurs et nous trouvons que la masse de gaz froid des sources sont compatibles avec des estimations simples de la masse dynamique en utilisant des valeurs du facteur de conversion CO-H2 &aCO semblables à celles des galaxies ultra-lumineueses dasn l’infra rouge (ULIRG).

Thesis resume

The discovery of dust-enshrouded star-forming galaxies in the early Universe has opened new questions in understanding the formation and evolution of galaxies through cosmic times. With increasing number of observations facilitated by the technical advancement in the last two decades, a large diversity in the population of dusty star-forming galaxies (DSFG) has been revealed. Some of these high-redshift DSFGs host prodigious star-formation rates (>500 Msun/yr). Such galaxies play a vital role in understanding the rapid formation and stellar mass assembly of massive galaxies in the early Universe. Characterising the gas reservoir and the interstellar medium (ISM) of these galaxies can give us key insights into their star-forming mechanisms. In this thesis, we study a population of gravitationally lensed high-z, dusty star-forming galaxies from the South pole telescope Submillimeter galaxies (SPT-SMG) sample. We focus on the neutral carbon emission lines – [CI](1-0) and [CI](2-1) to probe the gas reservoirs of our galaxies. In Chapter II, we present Atacama large millimeter/sub-millimeter array - Atacama compact array (ALMA-ACA) observations targeting both the [CI](2-1) and [CI](1-0) line emission of 29 SPT-SMGs. Combining this with the ancillary mid-J and low-J CO observations and dust mass estimations, we test the ability of [CI], CO and dust as a gas mass tracer. We cross-calibrate the aCO, XCI and gdr and find a good agreement between them. We also probe the ISM properties using the [CI] to mid-/high-J CO ratio and the [CI]/IR ratio. Our sample has similar radiation field intensities and densities as the sub-millimeter galaxies but higher than the main-sequence at z~1 and local galaxies. We also constrain the kinetic temperatures of the ISM using the two [CI] transitions and find that the mean excitation temperature of our sample agrees with that of the SMGs presented in literature. We also do not find any extremely high temperatures and the [CI]-excitation temperature is systematically lower than the dust temperature, advocating against dust models of high optical depth for our sample. In Chapter III, we present high-resolution (~0.4") observations of CO(7-6), [CI](2-1), and dust continuum of three lensed galaxies from the SPT-SMG sample at z~3 with ALMA. Our sources have high intrinsic star formation rates (>850 Msun/yr) and rather short depletion timescales (<100 Myr). Based on the resolved ratio analysis of [CI](2-1)/CO(7-6) and [CI](2-1)/IR, the ISM of our sample are heterogeneous in terms of the radiation field intensities and gas densities. We model the lensing configuration of our sample using visibility-based lens modelling to reconstruct the kinematics in the source plane. We find diverse source kinematics in our sample: SPT0103-45 and SPT2147-50 are likely rotating disks, while SPT2357-51 is possibly a major merger. Additionally, we estimate the dynamical masses of rotators and we find that the cold gas masses of the sources are compatible with simple dynamical mass estimates using ULIRG-like values of the CO-H2 conversion factor alphaCO, but not using Milky Way-like values.