Thèse doctorat : Astrophysique : Strasbourg 1 : 2007. / Thèse soutenue sur un ensemble de travaux. Titre provenant de l'écran-titre. Notes bibliogr.

La question de l'inné ou de l'acquis des propriétés dynamiques des disques de galaxies reste encore largement ouverte. Si l'environnement joue une part importante dans l'établissement de ces caractéristiques (spirales, gauchissement, disques épais), son influence est modulée par la propension intrinsèque que possède un objet à réagir ou non à ces perturbations. Cette problématique ne peut être abordée quantitativement qu'en termes de populations d'objets, afin de s'affranchir des spécificités liées à un cas de figure donné. D'autre part, les grands relevés permettent déjà une étude statistique des propriétés morphologiques des galaxies. La compréhension théorique des propriétés de ces populations d'objets doit atteindre le même degré de précision et de représentativité que les observations. À cette fin, cette thèse propose d'aborder de façon statistique la dynamique des systèmes galactiques, en reliant les distributions des propriétés de ces objets aux caractéristiques statistiques des interactions qu'elles subissent. Les travaux exposés se concentrent sur la composante ”halo de matière noire” des systèmes galactiques, qui agit comme un transmetteur entre environnement cosmologique et galaxies.<br />Cet objectif nécessite à la fois une description correcte des processus dynamiques internes et une bonne connaissance des propriétés des environnements dans lesquels baignent les halos. Afin de répondre à cette double exigence, le cadre propose ici repose sur une approche hybride où les processus internes sont abordés via les outils analytiques de la dynamique galactique, tandis que les caractéristiques des interactions sont extraites de simulations à grande échelle. Les échanges (accrétion et champ de marée) entre les halos et le milieu extérieur sont décrits en termes de flux de matière au travers de la sphère de viriel et de potentiel projetés. La description des interactions se ramène à la caractérisation statistique d'une condition limite. Cette vision “halocentrique” permet en outre de conserver l'information angulaire et cinématique nécessaire au calcul de la réponse dynamique des halos.<br />La dynamique est abordée dans le régime des faibles interactions via une description perturbative non linéaire de la réponse d'un système non collisionnel ouvert. Compte tenus des temps dynamiques courts opérant au sein des halos, l'influence des faibles perturbations se manifeste via des processus résonnants, correctement décrits par un formalisme en angle-actions. Cette théorie doit permettre de décrire des phénomènes tels que la friction dynamique ou l'effeuillage par effet de marée. A partir d'une extension de la “méthode matricielle” décrivant la dynamique dans l'espace des angles-actions, il est démontré comment cette technique analytique exprime directement les caractéristiques statistiques de la réponse des halos en fonction des propriétés de leur environnement. Cette “propagation statistique” ne fait pas appel aux réalisations individuelles de systèmes en interaction, mais nécessite une connaissance complète des propriétés de l'accrétion et du champ de marée, ainsi que leurs interdépendances statistiques. L'évolution séculaire du halo dans le régime des interactions récurrentes est également décrite dans un formalisme quasi-linéaire. L'évolution de la fonction de distribution du halo y est décrite comme une diffusion au long cours des orbites du système, induite par la présence de perturbations externes.<br />Les propriétés de l'accrétion et du champ de marée sont extraites d'un ensemble de simulations cosmologiques permettant de réduire les effets de variance cosmique. Cette mesure permet une description quantitative des interactions et représentative de la diversité des cas de figure. Ces études sur simulations sont limitées au régime de faibles interactions pour des redshifts inférieurs à 1. La distribution du flux de masse au rayon de viriel a permis de contraindre quantitativement le degré d'anisotropie de l'accrétion de matière par les halos. Cette mesure en termes de flux est complétée par une étude détaillée de la distribution des satellites qui confirme un excès d'accrétion équatoriale de l'ordre de 15 pour cents et qui est interprétée en termes de flux filamentaire. Les propriétés de l'accrétion et du potentiel sont abordées de façon plus exhaustive via une description adaptée à la propagation statistique. Les propriétés cinématiques de la matière passant au travers du rayon de viriel mettent en évidence le caractère distinct de la matière nouvellement accrétée de celle ayant déjà interagit avec le halo. Cette différence se manifeste dans la trajectoire des flux de masse impliqués ou dans leurs vitesses caractéristiques. Les mesures de corrélations angulo-temporelles du potentiel au rayon de viriel indiquent un champ de marée stationnaire et hautement quadripolaire, traitant la distribution de matière dans les régions périphériques du halo. Les mêmes corrélations sont mesurées pour le flux de masse, montrant en particulier l'invariance au cours du temps du spectre de puissance de la matière noire au rayon de viriel. Une courte étude sur la distribution des métaux liés aux sous-structures illustre comment les études observationnelles peuvent fournir des contraintes statistiques sur la distribution de matière au sein des halos.<br />De façon générale, l'établissement d'un lien entre propriétés statistiques de l'environnement et distribution des réponses dynamiques des halos permet d'envisager un large champ d'applications. D'une part, la connaissance des flux doit permettre de prédire les propriétés statistiques de la répartition de la matière noire au sein des halos. À l'inverse, les traceurs observationnels de la distribution de matière (émission X, effet SZ, lentilles gravitationnelles, systèmes absorbants) fournissent des contraintes sur les propriétés réelles des flux, ainsi que sur les modèles sous-jacents de halos (profil de masse par exemple) et sur les biais associés aux traceurs utilisés (rapports M/L par exemple). Enfin, une validation à terme de la propagation statistique permet d'entrevoir la mise en place de l'inversion dynamique qui permet de remonter à l'histoire d'interaction d'un halo à partir de son état actuel.

Les réponses aux questions clés concernant les scénarii de formation et d'évolution des galaxies demandent une étude approfondie de la morphologie, de la cinématique et des populations stellaires le long de la séquence de Hubble, étude à laquelle la spectrographie intégrale de champ (SIC) peut grandement bénéficier. L'objet de cette thèse est l'étude de la dynamique des galaxies de type précoce, plus particulièrement abordée sous l'angle de la SIC.<br /><br />Dans un premier temps, je présente le projet international SAURON, visant à observer un échantillon de ~80 galaxies de type précoce à l'aide d'un spectrographe intégral grand champ dédié. Je décris en particulier le processus spécifique de réduction des cubes de données issues de ce type d'instrument, ainsi que les méthodes mises en oeuvre pour extraire la distribution des vitesses le long de la ligne de vue.<br /><br />Plusieurs exemples d'apport de la SIC à l'étude de la dynamique des galaxies sont alors présentés. à haute résolution spatiale (0''5), l'observation du noyau double de M31 avec OASIS révèle toute sa complexité morphologique et cinématique. à plus grande échelle (30 x 40 arcsec2), les premiers résultats SAURON permettent d'appliquer une nouvelle caractérisation possible de la cinématique des galaxies à partir de l'étude de leur champ de vitesses bidimensionnel. Enfin, je présente des éléments de modélisation dynamique de Schwarzschild de la galaxie NGC 3377, basée sur les observations totalement complémentaires OASIS et SAURON.<br /><br />La dernière partie de cette thèse concerne l'orbite, élément clé de la dynamique galactique, dont la détermination précise des propriétés dynamiques reste l'une des principales pierres d'achoppement dans l'application de la méthode de Schwarzschild. Pour remédier à cette faiblesse, nous avons développé un outil d'analyse des orbites régulières, passant par la reconstruction semi-analytique du tore orbital à l'aide des concepts de la dynamique spectrale.

Dans le domaine complexe de l’archéologie galactique, l’étude des flux stellaires s’est imposée comme une voie essentielle pour dévoiler la formation et l’évolution des galaxies, en particulier celle de la Voie lactée. Ces systèmes stellaires perturbés portent l’empreinte de l’histoire de la Voie lactée, offrant des perspectives sur l’accrétion de galaxies plus petites et de grappes d’étoiles sur des milliards d’années. Avec l’avènement de la mission Gaia et de ses données d’observation inédites, l’application d’outils d’apprentissage automatique non supervisés à la détection d’anomalies est devenue de plus en plus pertinente dans la recherche de ces énigmatiques flux stellaires. L’objectif principal de cette recherche était d’exploiter la puissance des intégrales de mouvement et des algorithmes de regroupement pour élaborer une méthodologie permettant d’identifier les flux stellaires au sein du halo de la Voie lactée. Guidés par la volonté d’affiner notre compréhension des dynamiques complexes de la galaxie, nous nous sommes efforcés de développer une méthode robuste capable de mettre au jour ces structures stellaires perturbées. Notre approche a impliqué une évaluation exhaustive des algorithmes de regroupement, notamment Single Linkage, Ward, DBSCAN et OPTICS, afin de distinguer des groupes cohérents d’étoiles qui présentent des motifs ou des relations distincts, une caractéristique clé des flux stellaires. Les données synthétiques ont servi de terrain de test, facilitant l’évaluation des performances des algorithmes et l’étalonnage optimal des hyperparamètres. Cette exploration a couvert trois phases, englobant des flux isolés, la résilience face au bruit de fond et les complexités de dispersions de vitesse plus élevées. Alors que la méthodologie a donné des résultats favorables sur des données synthétiques, lorsque nous l’avons appliquée aux données de la Gaia Data Release 3 (DR3), nous avons constaté que les grappes étaient principalement situées autour du noyau galactique ou du Système solaire, contrairement à nos attentes de découvrir des courants stellaires dans le halo galactique. Cette divergence par rapport à nos résultats anticipés met en évidence la nature complexe de la dynamique de la Voie lactée et soulève un défi important couramment rencontré en apprentissage automatique : le problème hors distribution. La capacité des algorithmes d’apprentissage automatique à généraliser à partir des données d’entraînement vers de nouvelles données non vues peut être entravée par la présence de points de données qui tombent en dehors de la distribution sur laquelle ils ont été formés. Dans le contexte de notre recherche, ce défi souligne la nécessité de techniques avancées en détection d’anomalies et d’adapter les modèles d’apprentissage automatique pour gérer les complexités de l’observation du monde réel. / In the intricate realm of galactic archaeology, the study of stellar streams has emerged as a vital avenue for unraveling the formation and evolution of galaxies, particularly the Milky Way. These disrupted stellar systems, bear the imprint of the Milky Way’s history, offering insights into the accretion of smaller galaxies and star clusters over billions of years. With the advent of the Gaia mission and its unprecedented observational data, the application of unsupervised machine learning tools to anomaly detection has become increasingly relevant in the search for these elusive stellar streams. The primary aim of this research was to harness the power of integrals of motion and clustering algorithms to devise a methodology for identifying stellar streams within the halo of the Milky Way. Guided by the goal of refining our understanding of the galaxy’s intricate dynamics, we endeavored to develop a robust method capable of uncovering these disrupted stellar structures. Our approach involved a comprehensive evaluation of clustering algorithms, including Single Linkage, Ward, DBSCAN, and OPTICS, to distinguish cohesive groups of stars that exhibit distinct patterns or relationships—a key characteristic of stellar streams. Synthetic data served as a testing ground, facilitating algorithm performance assessment and optimal hyperparameter calibration. This exploration spanned three phases, encompassing isolated streams, resilience against background noise, and the complexities of higher velocity dispersions. While the methodology yielded favorable outcomes on synthetic data, when applied to the Gaia Data Release 3 (DR3) data, we found that clusters were predominantly located around the galactic core or the Solar System, in contrast to our expectations of discovering stellar streams in the galactic halo. This deviation from our anticipated results highlights the complex nature of the Milky Way’s dynamics and raises an important challenge commonly encountered in machine learning: the out-of-distribution problem. The ability of machine learning algorithms to generalize from training data to new, unseen data can be hindered by the presence of data points that fall outside the distribution they were trained on. In the context of our research, this challenge underscores the need for advanced techniques in anomaly detection and adapting machine learning models to handle real-world observational complexities.

Ce travail de thèse s'articule autour de deux questions scientifiques importantes à propos des galaxies actives : quels sont les mécanismes transportant le gaz et quel est le role de la galaxie sur l'activité nucléaire ? Nous avons donc mené une étude observationnelle approfondie et statistique du gaz et des étoiles, pour comparer la morphologie et cinématique des galaxies actives et non-actives sur differentes échelles spatiales, en utilisant des données spectroscopiques optique et radio. Nos résultats montrent que dans les régions centrales des galaxies actives la cinématique des étoiles est régulière alors que le gaz est perturbé. Ces perturbations suggèrent un lien entre la dynamique au centre des galaxies et les mécanismes d'alimentation du noyau actif. Enfifin les données radio et optique sont combinées pour analyser la cinématique galactique dans son ensemble. Cette étude nous<br>permet de sonder à differentes échelles spatiales les perturbations liées à l'alimentation du noyau actif.

Cet exposé résume les travaux que j'ai effectués depuis 1985, l'année de mon doctorat. Ces travaux se subdivisent en trois principales branches: 1) La chimie des environnements circumstellaires (étoiles évoluées - enveloppes oxygénées ou carbonées - et étoiles jeunes). 2) La dynamique gravitationnelle appliquée aux a) l'évolution dynamique et cosmologique des groupes des galaxies; b) effets de projection dans les groupes et amas; c) nature des groupes compacts; d) fréquence des fusions de galaxies et ségrégation morphologique dans les groupes et amas; e) formation de galaxies. 3) Les grands projets d'observation et en particulier le programme DENIS de cartographie complète du ciel austral en infra-rouge proche.

Cette thèse est consacrée à l'étude de la formation et de l'évolution des galaxies. La mise à disposition de la communauté par l'ESO du spectrographe à multi-intégrales de champ FLAMES/GIRAFFE représente une opportunité unique d'étudier la dynamique des galaxies à z<1, et de pouvoir ainsi relier les populations distantes aux populations locales. Nous présentons dans un premier temps les résultats obtenus grâce à cet instrument dans le cadre du temps garanti de l'Observatoire de Paris (GEPI). Ces résultats montrent que la fraction de galaxies n'ayant pas encore atteint leur équilibre dynamique à z~0.6 est importante. Cette fraction est encore plus importante parmi les galaxies compactes lumineuses (LCGs), ce qui supporte l'hypothèse selon laquelle ces galaxies sont des systèmes en cours de fusion. Jusqu'à présent, l'utilisation de la spectroscopie à fente ne permettait pas de distinguer efficacement les systèmes relaxés des systèmes non relaxés, ce qui explique les désaccords concernant l'évolution de la relation de Tully-Fisher. Les résultats présentés dans cette thèse montrent en effet une non évolution de cette relation dans le plan vitesse-masse stellaire. Enfin, GIRAFFE avec son mode IFU montre la pertinence de la cartographie physico-chimique du milieu interstellaire dans la compréhension des mécanismes liés aux processus de formation stellaire dans les galaxies distantes. L'extension des méthodes de spectroscopie intégrale de champ à z>1 requiert d'explorer leur couplage avec des techniques d'optique adaptative. Le projet FALCON (à la fois dédié aux VLTs et aux ELTs) propose une nouvelle voie prometteuse dans cette direction en introduisant le concept d'optique adaptative multi-objets (MOAO). Dans ce concept, seules les zones d'intérêt scientifique sont corrigées et analysées, ce qui nécessite le développement de systèmes miniaturisés de correction de front d'onde ainsi que d'une stratégie de commande originale en boucle ouverte.

Les fusions sont un évènement essentiel dans la formation des grandes structures de l'Univers; elles jouent un rôle important dans l'histoire de formation et l'évolution des galaxies. Outre une transformation morphologique, les fusions induisent d'importants sursauts de formation d'étoiles. Ces sursauts sont caractérisés par des Efficacités de Formation Stellaire (EFS) et des Taux de Formation Stellaire Spécifiques (TFSS), i.e., respectivement, des Taux de Formation Stellaire (TFS) par unité de masse gazeuse et des TFS par unité de masse stellaire, plus élevés que ceux des galaxies spirales. A toutes les époques cosmiques, les galaxies à sursaut de formation d'étoiles sont des systèmes particuliers, en dehors de la séquence définie par les galaxies spirales. Nous explorons l'origine du mode de formation stellaire par sursaut, à travers trois systèmes in interaction: Arp 245, Arp 105 et NGC 7252. Nous avons combiné des observations JVLA haute résolution de la raie à 21-cm, traçant le gaz Hi diffus, avec des observations GALEX dans l'UV, traçant les jeunes régions de formation d'étoiles. Nous sommes ainsi en mesure de sonder les conditions physiques locales du Milieu InterStellaire (MIS) pour des régions de formation d'étoiles indépendantes, et d'étudier la transformation du gaz atomique en gaz dense dans différents environnements. Le rapport SFR/HI apparaît bien plus élevé dans les régions centrales que dans les régions externes, indiquant une fraction de gaz dense plus élevée (ou une fraction de gaz HI moins élevée) dans les régions centrales. Dans les régions externes des systèmes, i.e., les queues de marées, où le gaz est dans une phase principalement atomique, nous observons des rapports SFR/ HI plus élevés que dans les environnements standards dominés par le HI, i.e., les régions externes des disques de spirales et les galaxies naines. Ainsi, notre analyse révèle que les régions externes de fusions sont caractérisées par des EFS élevées, par comparaison au mode de formation stellaire standard. Observer des fractions de gaz dense élevées dans les systèmes en interaction est en accord avec les prédictions des simulations numériques; ceci résulte d'une augmentation de la turbulence du gaz durant une fusion. La fusion affecte les propriétés de formation stellaire du système probablement à toutes les échelles, depuis les grandes échelles, avec une turbulence augmentant globalement, jusqu'aux petites échelles, avec des modifications possibles de la fonction de masse initiale. A partir d'une simulation numérique haute résolution d'une fusion majeure entre deux galaxies spirales, nous analysons les effets de l'interaction des galaxies sur les propriétés du MIS à l'échelle des amas stellaires. L'accroissement de la turbulence du gaz explique probablement la formation de Super Amas Stellaire dans le système. Notre étude de la relation SFR-HI dans les fusions de galaxies sera complétée par des données HI haute résolution pour d'autres systèmes, et poussée vers des échelles spatiales encore plus petites.

Notre travail se concentre sur le rôle de la phase moléculaire froide et dense dans l'évolution des galaxies spirales. Cette phase p eut jouer le rôle de réservoir de gaz à faible taux de formation stellaire dans les parties externes des disques. Après une présentation générale des propriétés des galaxies, en particulier des galaxies spirales, leur milieux interstellaire et leur évolution dynamique, nous passons en revue les simulations numériques hydrodynamiques contemporaines et l'implémentation de la physique baryonique. Nous présentons ensuite la série de simulations que nous avons e ffectuées. Ces simulations incluent du refroidissement jusqu'à basse température, en prenant notamment en compte de l'hydrogène moléculaire. Nous testons en particulier l'infl uence de l'hydrogène moléculaire dans des simulations avec di fférentes efficacités de rétroactions énergétique stellaire, et obtenons que le dihydrogène permet dans tous les cas une faible formation d'étoiles dans les parties externes des disques. Les disques gazeux ont de plus tendance à s'épaissir à grands rayons du fait de la rétroaction stellaire renforcée par la présence de dihydrogène. L'hydrogène moléculaire peut donc jouer le rôle de réservoir de matière baryonique dans les parties externes des galaxies spirales qui accrètent du gaz par les fi laments cosmiques tout au long de leur vie.

Les fusions sont un évènement essentiel dans la formation des grandes structures de l’Univers; elles jouent un rôle important dans l’histoire de formation et l’évolution des galaxies. Outre une transformation morphologique, les fusions induisent d’importants sursauts de formation d’étoiles. Ces sursauts sont caractérisés par des Efficacités de Formation Stellaire (EFS) et des Taux de Formation Stellaire Spécifiques (TFSS), i.e., respectivement, des Taux de Formation Stellaire (TFS) par unité de masse gazeuse et des TFS par unité de masse stellaire, plus élevés que ceux des galaxies spirales. A toutes les époques cosmiques, les galaxies à sursaut de formation d’étoiles sont des systèmes particuliers, en dehors de la séquence définie par les galaxies spirales. Nous explorons l’origine du mode de formation stellaire par sursaut, à travers trois systèmes in interaction: Arp 245, Arp 105 et NGC 7252. Nous avons combiné des observations JVLA haute résolution de la raie à 21-cm, traçant le gaz Hi diffus, avec des observations GALEX dans l’UV, traçant les jeunes régions de formation d’étoiles. Nous sommes ainsi en mesure de sonder les conditions physiques locales du Milieu InterStellaire (MIS) pour des régions de formation d’étoiles indépendantes, et d’étudier la transformation du gaz atomique en gaz dense dans différents environnements. Le rapport SFR/HI apparaît bien plus élevé dans les régions centrales que dans les régions externes, indiquant une fraction de gaz dense plus élevée (ou une fraction de gaz HI moins élevée) dans les régions centrales. Dans les régions externes des systèmes, i.e., les queues de marées, où le gaz est dans une phase principalement atomique, nous observons des rapports SFR/ HI plus élevés que dans les environnements standards dominés par le HI, i.e., les régions externes des disques de spirales et les galaxies naines. Ainsi, notre analyse révèle que les régions externes de fusions sont caractérisées par des EFS élevées, par comparaison au mode de formation stellaire standard. Observer des fractions de gaz dense élevées dans les systèmes en interaction est en accord avec les prédictions des simulations numériques; ceci résulte d’une augmentation de la turbulence du gaz durant une fusion. La fusion affecte les propriétés de formation stellaire du système probablement à toutes les échelles, depuis les grandes échelles, avec une turbulence augmentant globalement, jusqu’aux petites échelles, avec des modifications possibles de la fonction de masse initiale. A partir d’une simulation numérique haute résolution d’une fusion majeure entre deux galaxies spirales, nous analysons les effets de l’interaction des galaxies sur les propriétés du MIS à l'échelle des amas stellaires. L’accroissement de la turbulence du gaz explique probablement la formation de Super Amas Stellaire dans le système. Notre étude de la relation SFR–HI dans les fusions de galaxies sera complétée par des données HI haute résolution pour d’autres systèmes, et poussée vers des échelles spatiales encore plus petites. / Mergers are known to be essential in the formation of large-scale structures and to have a significant role in the history of galaxy formation and evolution. Besides a morphological transformation, mergers induce important bursts of star formation. These starburst are characterised by high Star Formation Efficiencies (SFEs) and Specific Star Formation Rates, i.e., high Star Formation Rates (SFR) per unit of gas mass and high SFR per unit of stellar mass, respectively, compared to spiral galaxies. At all redshifts, starburst galaxies are outliers of the sequence of star-forming galaxies defined by spiral galaxies. We have investigated the origin of the starburst-mode of star formation, in three local interacting systems: Arp 245, Arp 105 and NGC 7252. We combined high-resolution JVLA observations of the 21-cm line, tracing the HI diffuse gas, with UV GALEX observations, tracing the young star-forming regions. We probe the local physical conditions of the Inter-Stellar Medium (ISM) for independent star-forming regions and explore the atomic-to-dense gas transformation in different environments. The SFR/HI ratio is found to be much higher in central regions, compared to outer regions, showing a higher dense gas fraction (or lower HI gas fraction) in these regions. In the outer regions of the systems, i.e., the tidal tails, where the gas phase is mostly atomic, we find SFR/HI ratios higher than in standard HI-dominated environments, i.e., outer discs of spiral galaxies and dwarf galaxies. Thus, our analysis reveals that the outer regions of mergers are characterised by high SFEs, compared to the standard mode of star formation. The observation of high dense gas fractions in interacting systems is consistent with the predictions of numerical simulations; it results from the increase of the gas turbulence during a merger. The merger is likely to affect the star-forming properties of the system at all spatial scales, from large scales, with a globally enhanced turbulence, to small scales, with possible modifications of the initial mass function. From a high-resolution numerical simulation of the major merger of two spiral galaxies, we analyse the effects of the galaxy interaction on the star forming properties of the ISM at the scale of star clusters. The increase of the gas turbulence is likely able to explain the formation of Super Star Clusters in the system. Our investigation of the SFR-HI relation in galaxy mergers will be complemented by high-resolution HI data for additional systems, and pushed to yet smaller spatial scales.