Soutenance de thèse de GOOVAERTS Ilias
Titre de thèse
Les sources de la réionisation cosmique : évaluation des propriétés et de la contribution des galaxies faible à formation d'étoiles
The sources of cosmic reionisation: evaluating the properties and contribution of faint star-forming galaxies
Résumé de la thèse
La réionisation cosmique est la dernière transition de phase subie par l'Univers, entre z~12 et z~6, au cours de laquelle des photons UV ont ionisé l'hydrogène neutre dans le milieu intergalactique. L'exploration de l'évolution des galaxies à cette époque, rendue possible par le télescope spatial Hubble (HST), a été accélérée par l'arrivée sur le ciel du télescope spatial James Webb (JWST) en 2022.
Le but de cette thèse est d'améliorer la caractérisation des galaxies intrinsèquement faibles, formant des étoiles, qui fournissent probablement la contribution dominante au processus de réionisation. La luminosité de ces galaxies faibles est bien au delà des limites d'observations des télescopes actuels, donc, pour leur détection et leur caractérisation, cette étude utilise la technique dite des télescopes gravitationnels, ainsi que des observations de la raie d'émission Lyman-α, la raie la plus brillante dans l'UV. Les observations VLT/MUSE des amas de galaxies sont combinées avec l'imagerie la plus profonde disponible du HST et du JWST pour créer des échantillons statistiquement significatifs d'émetteurs Lyman-α (LAE) et de galaxies sélectionnées dans l'UV. L'utilisation de l'IFU de MUSE permet la construction à l'aveugle d'échantillons de galaxies émettant la raie lya d'une part, et d'autre part de galaxies à cassure de Lyman, créant ainsi la vue la moins biaisée possible de ces populations. Les galaxies étudiées dans cette thèse ont des luminosités jusqu'à L_Lya ~ 10^39 erg/s et des magnitudes UV jusqu'à M_UV ~ -12 dans la gamme de redshift 2.9<z<6.7, sondant un régime très faible vers l'époque de la réionisation.
Les propriétés de ces populations sont dérivées en utilisant la méthode d'ajustement de la Distribution Spectral en Energie (SED en anglais) et la raie Lyman-α, et comparées pour établir ce qui distingue la population sélectionnée par Lyman-α de la population générale sélectionnée en UV. Les taux de formation d'étoiles, les masses stellaires et les pentes UV sont dérivés et des corrélations sont établies avec les paramètres de la raie Lyman-α.
La contribution de ces populations à la réionisation est également estimée de différentes manières, en commençant par l'estimation de la fraction de la population UV qui est sélectionnée comme LAE. L'évolution de cette quantité en fonction de l'intensité de l'émission lya et de la magnitude UV de la galaxie hôte est également explorée.
La contribution de la population LAE à la réionisation est évaluée en utilisant les valeurs dérivées de la fraction d'échappement. Cette quantité est cruciale dans notre estimation des densités de taux de formation d'étoiles calculées à partir de la population LAE, ce qui nous permet d'obtenir une estimation éclairée de cette contribution. La contribution des LAE est nécessairement faible pour les petites valeurs de l'échappement des photons du Lyman continuum (<1%), mais potentiellement dominante pour les valeurs qui ont été observées dans les LAE à bas redshift et dans les analogues locaux à haut redshift (10%). De fortes hypothèses et incertitudes subsistent, soulignant le besoin d'observations supplémentaires de galaxies intrinsèquement faibles, observés derrière les amas de galaxies.
Thesis resume
Cosmic reionisation is the last phase transition undergone by the Universe, between z~12 and z~6, at which time, energetic photons ionised the neutral hydrogen in the intergalactic medium. The exploration of galaxy evolution at this time, unlocked by the Hubble Space Telescope (HST) was thrust forward by the arrival on sky of the James Webb Space Telescope (JWST) in 2022.
The goal of this thesis is to improve the characterisation of the intrinsically faint, star-forming galaxies which likely provide the dominant contribution to the reionisation process. The luminosity of these galaxies is well beyond the reach of current instruments, therefore to detect and characterise them, this study makes use of gravitational telescopes as well as observations of the Lyman-α emission line, the brightest UV line. VLT/MUSE observations of lensing clusters are combined with the deepest available imaging from the HST and JWST to create statistically significant samples of Lyman-α Emitters (LAEs) and UV-selected galaxies. The use of MUSE's IFU enables the blind construction of samples of Lyman-α-emitting and UV-selected galaxies, creating the least biased view possible of these populations. The galaxies explored in this thesis have lya luminosities down to L_Lya ~ 10^39 erg/s and UV magnitudes down to M_UV ~ -12 in the redshift range 2.9<z<6.7, probing a very faint regime towards the epoch of reionisation.
The properties of these populations are derived using SED fitting and the Lyman-α line, and compared to establish what distinguishes the Lyman-α-selected population from the general, UV population. Star-formation rates, stellar masses and UV slopes are derived and correlations established with Lyman-α parameters, including luminosity, equivalent width, and escape fraction.
The contribution of these populations to reionisation is also estimated in a number of different ways, starting with tracing the fraction of the UV population that are selected as LAEs. The evolution of this quantity with the strength of Lyman-α emission and with UV magnitude of the host galaxy is also explored.
The contribution of the LAE population to reionisation is additionally assessed using the derived escape fraction values. This quantity is crucial in the assessment of the intrinsic star formation rate densities calculated from the LAE population, allowing us to derive an informed estimate of this contribution. The LAE contribution is found to be necessarily small for small values of the Lyman-continuum photon escape (<1%), but potentially dominant for values which have been observed in lower-redshift LAEs and local high-redshift analogues (10%). Strong assumptions and uncertainties remain, highlighting the need for further observations of lensed, intrinsically faint galaxies.