This study aims to understand the key role played by molecular hydrogen in the evolution of galaxies, with a view to constraining its radial distribution in the Galaxy and the CO→H(_2) conversion factor α(_20).The star formation rate is shown to be correlated with the surface density of H(_2). A correlation between the molecular hydrogen fraction and the metallicity of a region allows the time evolution of H(_2) to be described. This leads to a modified 'Schmidt Law' of the SFR which explains quite naturally the production of galactic metallicity gradients and the constancy of the SFR in the absence of infall. A consistent closed model of the chemical evolution of the Galaxy is proposed to solve the G-dwarf problem, the stellar age-metallicity relation and the metallicity gradient, leading to the prediction of some initial amount of pre-disc processing of gas into visible and dark matter. It is found that a constant yield of metals is more appropriate than a yield proportional to metallicity. Possible time variations of the returned fraction, the dark matter fraction and the SFR are also studied. For consistency, we suggest that dark matter in the solar neighbourhood could be totally baryonic provided the Miller-Scalo IMF is modified at the lower end, that is, the dark matter resides in low mass stars or brown dwarfs. The production of metallicity gradients in spiral galaxies is shown to be a direct consequence of the radial variation of the total surface density of matter and the age of the disc. The role of molecular gas in the evolution of the Oort Cloud of comets is examined. It is shown that comet showers with a mean interval of ̴̱ 30My cannot be produced using perturbations of the Oort Cloud by known stars or molecular clouds. If there is indeed an apparent 30My periodicity in the terrestrial mass extinction and geological records, we argue that astronomically induced processes are unlikely to be the primary cause. Evidence is presented that the lifetime of the molecular gas phase is ≤ 2.lO(_8)y, and arguments, particularly from CO observations of the Virgo galaxy cluster, favouring longer lifetimes are shown to be not well founded. We suggest that the ICM in Virgo reduces the value of α(_20) as compared to isolated galaxies. From the above considerations, the radial distribution of in the Galaxy is derived and shown to agree in the inner Galaxy with that derived from ɤ-ray analysis. In the solar neighbourhood we find α(_20) = 2.5±0.5, and present evidence that α(_20) varies as a function of Galactocentric radius and from galaxy to galaxy.

No description available.

This thesis investigates the dynamical evolution of systems orbiting within deeper potentials. Initially we use a simple satellite-halo interaction to study the dynamical processes that act on orbiting systems and we compare these results to analytical theory. Deep images of the Centaurus cluster reveal a spectacular arc of diffuse light that stretches for over 100 kpc and yet is just a few kpc wide. We use numerical simulations to show that this feature can be produced by the tidal debris of a spiral galaxy that has been disrupted by the potential of one of the central cD galaxies of the cluster. The evolution of sub-halos is then studied in a cosmological context using high resolution N-body simulations of galactic mass halos that form in a cold dark matter (CDM) simulation. CDM halos form via a complex series of mergers, accretion events and violent relaxation. Halos are non-spherical, have steep singular density profiles and contain many thousands of surviving dark matter substructure clumps. This will lead to several unique signatures for experiments that aim to detect dark matter either indirectly, through particle annihilation, or directly in a laboratory. For the first time it is possible to construct maps of the gamma-ray sky that result from the annihilation of dark matter particles within simulated dark matter halo distributions.

Une simple classification morphologique des galaxies de l'Univers local montre deux grandes familles: (1) les galaxies disques, avec des bras spiraux et dans deux-tiers des cas une barre stellaire; et (2) les galaxies elliptiques et lenticulaires, dites galaxies de type précoce ou early-type galaxies (ETGs), qui sont dominées par une composante stellaire sphéroidale. Les galaxies les plus massives de l'Univers local sont les ETGs. Ces galaxies présentent aussi une large variété de dynamique stellaire: elles peuvent avoir un champ de vitesse régulier et aligné avec la photométrie ou perpendiculaire à la photométrie; ne présenter aucune rotation globale; ou alors être composées de deux disques en contre-rotation l'un par rapport à l'autre (Kinematically Distinct Core ou KDC). Ces signatures dans la dynamique stellaire des ETGs et leur importante masse sont des signes d'interactions passées, en particulier des signes de fusions de galaxies. Le but principal de ma thèse est d'analyser un large échantillon de simulations numériques à haute résolution de fusions binaires de galaxies. Ces fusions sont dites "idéalisées" car elles ne prennent pas en compte le contexte cosmologique de formation des galaxies : deux galaxies en isolation sont lancées sur une orbite permettant la fusion de ces galaxies, le résultat final attendu de la fusion étant une ETG. L'analyse statistique de ce large échantillon de simulations nous permet de relier les conditions initiales de la fusion à la galaxie finale. J'ai démontré que le rapport de masse entre les spirales initiales et que l'orientation de leurs moments angulaires sont des points essentiels à la formation des ETGs avec peu ou beaucoup de rotation et des KDCs. La morphologie de la spirale (rapport Bulbe/Disque) est aussi un point important pour la formation des KDC mais son impact n'est pas clair et de nouvelles simulations sont nécessaires pour conclure. Durant ma thèse, j'ai aussi étudié l'importance de la résolution dans les simulations numériques de fusion de galaxies. J'ai montré que le nombre de particules et la taille des cellules utilisées ont une importance prépondérante dans les résultats finaux. Une trop faible résolution (i.e. peu de particules et une grille grossière) ne permet pas de suivre l'évolution rapide du potentiel gravitationnel lors de la fusion. Dans ce cas, certaines particules n'évacuent pas leur moment angulaire vers l'extérieur de la galaxie: la galaxie résultante de la fusion garde ainsi une plus forte rotation. A haute résolution, la dispersion de ces orbites est résolue, la galaxie résultante possède donc une faible rotation et peut former, sous certaines conditions initiales, un KDC. / A simple morphological classification of the galaxies in the local Universe shows two main families: (1) the disc galaxies, with spiral arms and in two-thirds of these galaxies a stellar bar; and (2) the elliptical and lenticular galaxies, labelled early-type galaxies (ETGs), which are dominated by a spheroidal stellar component. ETGs are among the most massive galaxies of the local Universe and present a red color, meaning that their stars are old. These galaxies also present a large diversity of stellar dynamics: they may have a regular rotation pattern aligned with the photometry or perpendicular to it; they can present no global rotation at all; or may hold a central stellar component with a rotation axis distinct from the outer stellar body called a Kinematically Distinct Core (KDC). These features observed in the dynamics of the ETGs and their large mass are clearly signs of past interactions, especially signs of galaxy mergers. The main goal of my thesis is to analyse a large sample of high-resolution numerical simulations of binary galaxy mergers. These binary mergers are called "idealized" because they do not take into account the full cosmological context of galaxy formation: two isolated spiral galaxies are launched in an orbit resulting in a merger of the galaxies, the final remnant is an ETG. The statistical analysis of this large sample of simulations enables us to link the initial conditions of the merger to the final merger remnant. I demonstrated that the mass ratio between the spiral progenitors and the orientation of their spins of angular momentum are the main drivers for the formation of fast and slow rotating ETGs and the KDCs. The morphology of the initial spiral (Bulge/Disc ratio) seems also to play a major role for the formation of the different types of ETGs but its impact is not completelly clear, and other simulations are planned to clarify this problem. During my thesis, I also studied the importance of the resolution in the numerical simulations of galaxy mergers. I showed that the number of particles and the size of the computational grid have a predominant role in the final product of the merger. A too low resolution (i.e. too few particles and a coarse grid) can not follow the rapid evolution of the gravitational potential during the merger. In this case, the angular momentum is not as efficiently transfered to the outer parts of the galaxy: the merger remnant keeps thus a strong and regular rotation. At higher resolution, the scattering of the orbit is resolved and the merger remnant may end-up with, under some special initial conditions, a slow rotation and may form a KDC.

Lenticular and elliptical galaxies, collectively referred to as "early-type galaxies" (ETGs), are commonly thought to represent the end-points of galaxy evolution. Lying in the red sequence of galaxies, these objects are defined by their mostly old stellar populations and by their "red and dead" appearance in optical observations. Much progress in understanding these objects has been made with integral-field spectroscopy in recent years, with results repeatedly pointing to a link between early-type galaxies and high-redshift spiral galaxies. However, the exact nature of this link remains unclear, with a wide variety of evolution scenarios likely required to fully explain the range of observed early-type galaxy properties. In my study, I analysed observations of twelve early-type galaxies taken with the Mitchell Integral-Field Spectrograph at McDonald Observatory, Texas. These galaxies have previously been found to contain detectable quantities of neutral hydrogen gas, with ten out of the twelve displaying large-scale hydrogen disks. I extracted line-of-sight kinematics of the stellar and ionised gas components of these galaxies, and I used various modelling approaches to constrain their stellar population parameters as well as their three-dimensional mass structure in terms of both dark and visible components. An important feature of this study is the wide field of view of the spectroscopic observations, which reach beyond two half-light radii for almost all of the sample; this remains rare for integral-field unit (IFU) studies of ETGs, and so sets this study apart from most earlier works. The gas-rich nature of the sample is likewise novel. I find all aspects of my analysis to yield a consistent view of these galaxies' evolution, in which one or more gaseous interaction events served to shape them into their observed forms. I find these galaxies to contain low dark matter fractions on average within the inner half-light radius, and I also find mass modelling to favour near-isothermal total density profiles over much of the sample.

Une simple classification morphologique des galaxies de l'Univers local montre deux grandes familles: (1) les galaxies disques, avec des bras spiraux et dans deux-tiers des cas une barre stellaire; et (2) les galaxies elliptiques et lenticulaires, dites galaxies de type précoce ou early-type galaxies (ETGs), qui sont dominées par une composante stellaire sphéroidale. Les galaxies les plus massives de l'Univers local sont les ETGs. Ces galaxies présentent aussi une large variété de dynamique stellaire: elles peuvent avoir un champ de vitesse régulier et aligné avec la photométrie ou perpendiculaire à la photométrie; ne présenter aucune rotation globale; ou alors être composées de deux disques en contre-rotation l'un par rapport à l'autre (Kinematically Distinct Core ou KDC). Ces signatures dans la dynamique stellaire des ETGs et leur importante masse sont des signes d'interactions passées, en particulier des signes de fusions de galaxies. Le but principal de ma thèse est d'analyser un large échantillon de simulations numériques à haute résolution de fusions binaires de galaxies. Ces fusions sont dites "idéalisées" car elles ne prennent pas en compte le contexte cosmologique de formation des galaxies : deux galaxies en isolation sont lancées sur une orbite permettant la fusion de ces galaxies, le résultat final attendu de la fusion étant une ETG. L'analyse statistique de ce large échantillon de simulations nous permet de relier les conditions initiales de la fusion à la galaxie finale. J'ai démontré que le rapport de masse entre les spirales initiales et que l'orientation de leurs moments angulaires sont des points essentiels à la formation des ETGs avec peu ou beaucoup de rotation et des KDCs. La morphologie de la spirale (rapport Bulbe/Disque) est aussi un point important pour la formation des KDC mais son impact n'est pas clair et de nouvelles simulations sont nécessaires pour conclure. Durant ma thèse, j'ai aussi étudié l'importance de la résolution dans les simulations numériques de fusion de galaxies. J'ai montré que le nombre de particules et la taille des cellules utilisées ont une importance prépondérante dans les résultats finaux. Une trop faible résolution (i.e. peu de particules et une grille grossière) ne permet pas de suivre l'évolution rapide du potentiel gravitationnel lors de la fusion. Dans ce cas, certaines particules n'évacuent pas leur moment angulaire vers l'extérieur de la galaxie: la galaxie résultante de la fusion garde ainsi une plus forte rotation. A haute résolution, la dispersion de ces orbites est résolue, la galaxie résultante possède donc une faible rotation et peut former, sous certaines conditions initiales, un KDC.

La description de l’évolution à long-terme des systèmes astrophysiques auto-gravitants tels que les disques stellaires, fait aujourd’hui l’objet d’un regain d’intérêt sous l’impulsion de deux développements récents. Cela repose tout d’abord sur le succès de la théorie Lambda-CDM pour décrire la formation des grandes structures et leurs interactions avec le milieu circum-galactique. En outre, de nouveaux développements théoriques permettent maintenant de décrire précisément l’amplification des perturbations extérieures ou internes, et leurs effets sur la structure orbitale d’un système sur les temps cosmiques. Ces progrès complémentaires nous permettent d’aborder la question lancinante des rôles respectifs de l’inné et de l’acquis sur les propriétés observées des systèmes auto-gravitants. Cette thèse est consacrée à la description de ces dynamiques séculaires, notamment lorsque l’auto-gravité joue un rôle important. Deux formalismes de diffusion, externe et interne, seront présentés en détail, et appliqués à différents problèmes astrophysiques. Dans un premier temps, nous étudierons les disques stellaires discrets infiniment fins, et retrouverons la formation d’étroites arêtes d’orbites résonantes en accord avec les observations et les simulations numériques, par le biais de la première mise en oeuvre de l’équation de Balescu-Lenard. Nous considérerons ensuite le mécanisme d’épaississement spontané des disques stellaires sous l’effet du bruit de Poisson. Enfin, nous illustrerons comment ces formalismes permettent également de décrire la dynamique des étoiles orbitant un trou noir supermassif dans les centres galactiques. / Understanding the long-term evolution of self-gravitating astrophysical systems, such as for example stellar discs, is now a subject of renewed interest, motivated by the combination of two factors. On the one hand, we now have at our disposal the well established Lambda-CDM model to describe the formation of structures and their interactions with the circum-galactic environment. On the other hand, recent theoretical works now provide a precise description of the amplification of external disturbances and discreteness noise, as well as their effects on a system’s orbital structure over cosmic time. These two complementary developments now allow us to address the pressing question of the respective roles of nature vs. nurture in the establishment of the observed properties of self-gravitating systems. The purpose of the present thesis is to describe such secular dynamics in contexts where self-gravity is deemed important. Two frameworks of diffusion, either external or internal, will be presented in detail, and applied to various astrophysical systems. This thesis will first investigate the secular evolution of discrete razor-thin stellar discs and recover the formation of narrow ridges of resonant orbits in agreement with observations and numerical simulations, thanks to the first implementation of the Balescu-Lenard equation. The spontaneous thickening of stellar discs as a result of Poisson shot noise will also be investigated. Finally, we will illustrate how the same formalisms allow us to describe the dynamics of stars orbiting a central super massive black hole in galactic centres.

We present new measures of the rotation curves of disc galaxies from z~0.2 to z~1.7, using deep exposures from both DEIMOS and LRIS spectrographs on the Keck telescopes in combination with multi-band imaging from the Hubble Space Telescope. We do this with a new modelling code, curvation, which has been optimised to extract the rotation velocity measurements from galaxies at intermediate and high redshift. To this end, we conduct a bulge-to-disc de-composition to allow us to de-project observed velocities to extract a model of the intrinsic rotation curve. We demonstrate the improved accuracy and precision of these measurements via a number of tests, but primarily in recovering an intrinsic scatter of the high redshift Tully-Fisher relation which is similar to that found locally. We show for the first time that the stellar mass Tully-Fisher relation is tightly in place at z~1, the normalisation of which has evolved less than 0.02±0.02 dex in stellar mass from z~1.7 to z~0.2. We do however see evidence for evolution in classic B-band Tully-Fisher relation, which is brighter at z~1 by 0.85±0.28 magnitudes than that at z~0.3. This trend is consistent with what was previously known about the evolving star-formation rates of disc galaxies. We then explore the potential drivers of these trends in the Tully-Fisher relation by estimating the baryonic and dark matter content of our galaxies. We also discover a surprising trend in the bulgeless disc galaxies at high redshift, which may be evolving differently from other rotationally supported galaxies. In the context of work which has been conducted at z~2, we discuss our results of a stellar mass Tully-Fisher relation which is strikingly similar over two-thirds of the age of the Universe.

Cette thèse porte sur le rôle des amas de galaxies dans la cosmologie et l'évolution des galaxies. J'utilise des observations photométriques et spectroscopiques multi-longueur d'onde (optiques, mm, proche/moyen-IR) que j'analyse avec des méthodes statistiques. Pour un échantillon d'amas détectés par le satellite Planck et ré-observés avec le télescope optique Gemini, j'étudie la dynamique des galaxies dans les amas afin de déterminer leur masse et de comprendre les erreurs systématiques sur ces estimations, d'une importance cruciale dans la cosmologie à l'heure actuelle. Dans le cadre de la collaboration CARLA (Clusters Around Radio Loud AGN), j’étudie les populations stellaires des galaxies dans les amas et les proto-amas dans leurs premières phases d'assemblage (z>1.4), afin d'étudier la suppression de la formation des étoiles et le rôle de l'environnement sur l'évolution des galaxies. / This thesis focuses on the role of galaxy clusters in cosmology and galaxy evolution. I use multi-wavelenght photometric and spectroscopic observations (optical, mm, near/mid- IR) which I analyse with statistical methods. For a sample of clusters detected by the Planck satellite and re-observed with the Gemini optical telescope, I have studied the dynamics of member galaxies to probe their mass and understand possible systematics affecting such estimates, of crucial importance in cluster cosmology at present. Within the CARLA (Clusters Around Radio Loud AGN) collaboration, I examine morphology and stellar populations of galaxies in clusters and proto-clusters in their first assembly phases (z>1.4), with the aim of shedding light on the quenching of star formation and the role of the environment on galaxy evolution.

Cette these etudie l'influence du balayage par pression dynamique sur l'histoire de la formation stellaire des galaxies spirales qui se trouvent dans des amas. Le balayage par pression dynamique est l'interaction hydrodynamique entre le milieu interstellaire (ISM) d'une galaxie spirale qui evolue dans le puits de potentiel d'un amas, et le milieu intra-amas (ICM). Si la pression dynamique exercee par l'ICM excede la force d'attraction gravitationnelle due au potentiel galactique, la galaxie perd du gaz de sa partie externe. L'amas de la Vierge constitue un laboratoire ideal pour etudier les effets de l'environnement sur l'evolution des galaxies. En effet, cet amas est riche en spirales et dynamiquement jeune. Des observations nous montrent que la quantite de gaz atomique qui se trouve dans les spirales de la Vierge est moins importante que celle des galaxies du champ. En particulier, les spirales des amas presentent des disques HI tronques. Pour celles des galaxies qui presentent aussi une distribution stellaire symetrique, le balayage par pression dynamique semblerait etre l'origine la plus probable de la troncature du gaz du disque.