H2 MAGIE : H2 as a Major Agent to Galaxy Interaction and Evolution
L'Hydrogène moléculaire dans l'évolution des galaxies
Abstract
My main thesis work is to understand the origin of molecular Hydrogen (H2 ) emission in active phases of galaxy evolution. Spitzer space telescope observations reveal a new class of H2 -luminous galaxies with enhanced H2 line emission but where star formation is strongly sup- pressed. This is in sharp contrast with what is observed in standard star forming galaxies. The Stephan's Quintet (SQ) galaxy collision is a striking example I initially focus on. We present a scenario and a detailed model to account for the presence of H2 in the SQ giant shock, to characterize its physical state, and to describe its role as a cooling agent of a violent phase of galaxy interactions. In this scenario, the dissipation of the mechanical energy of the collision produces a multiphase medium where molecular gas fragments coexist with a hot ( ∼ 5 × 10^6 K), X-ray emitting plasma. Our model quantifies the gas cooling, dust destruction, H2 formation and emission in the postshock multiphase gas. The dynamical interaction between the ISM phases drives a cycle where H2 is formed out of atomic gas that cools, and is excited repeatedly before being destroyed. A cascade of energy is associated with this cycle, in which the mechanical energy powers supersonic turbulence within the molecular gas. The H2 emission is associated with the dissipation of this turbulent energy. New results of mid-infrared and radio observations in the SQ shock are presented. These observations reveal that dust and CO emission gas is associated with the warm H2 seen by Spitzer, and that this gas is in an unusual physical state where star formation is suppressed. In addition, to test the scenario proposed for the formation of H2 in the SQ shock, I carry on a detailed observational study and modeling of the dust emission from the H2 gas. Observational perspectives with the Herschel satellite are discussed. These observations suggest that H2 contributes significantly to the energy bugdet of galaxies which are in key phases of their evolution (galaxy interaction, gas accretion in galaxy clusters, starburst or AGN feedback). My thesis work is a first step to understand the role that molecular gas plays in galaxy evolution. Our model developped for SQ is extended to the context of radio galaxies, which allow for the first time to peer at the impact of the AGN-driven jet on the multiphase ISM of the host galaxy. A natural extension of this work is the characterization of the energetics of galactic winds (in the M82 starburst galaxy for instance) and in AGN-driven winds recently discovered in high-redshift radio-galaxies. This thesis includes the tools to perform a detailed modeling of Spitzer and upcoming Herschel data. Besides this work, as a member of the JWST/MIRI consortium, I also report my contribution to the optical performance tests of the MIRI instrument, which will extend the study of H2 -luminous galaxies to high redshifts. The observational and theoretical work presented in this manuscript may help to develop a phenomenological ”recipe” of the impact of H2 on the energetics of galaxy evolution. This work will certainly be helpful for the preparation of future observing programs aiming at testing this phenomenology directly, thanks to spectroscopy of high-redshift galaxies with the JWST and SPICA missions.
Ce travail est dédié à la compréhension de l'émission du dihydrogène (H2 ) dans les phases actives de l'évolution des galaxies. La découverte d'une nouvelle population de sources extragalactiques avec un spectre dans l'infrarouge moyen dominé par les raies d'émission de H2 est un résultat inattendu des observations spectroscopiques du satellite Spitzer. La faiblesse des bandes d'émission des poussières et des raies du gaz ionisé par rapport à celles de H2 indique la présence de grandes quantités de gaz H2 (jusqu‘à 10^10 M⊙ au centre des amas de galaxies) avec peu de formation d'étoiles, contrairement à ce qui est observée dans les galaxies standard. Une interprétation physique de l'émission H2 associée à une collision à grande vitesse (1000 km/s) entre galaxies dans le Stephan's Quintet (SQ) est d'abord présentée. La dissipation de l'énergie cinétique de la collision crée un milieu multi phases où des fragments de gaz molécu- laire coexistent avec un plasma de gaz chaud (∼ 5 × 10^6 K) émetteur en rayons X. Notre interprétation relie la structure multi phases du gaz post-choc à la structure en densité du gaz pré-choc. L'interaction dynamique entre les phases entretient un cycle où H2 se forme à partir de gaz atomique chaud qui se refroidit puis est excité de manière répétée avant d'être détruit. A ce cycle est associée une cascade énergétique où l'énergie cinétique du gaz alimente une turbulence supersonique dans le gaz moléculaire. Le rayonnement H2 est associé à la dissipation de l'énergie turbulente. Les résultats de nouvelles observations moyen-infrarouge et radio dans le choc de SQ sont présentés. L'émission de la poussière et du gaz CO associé au gaz H2 est détectée. Le gaz CO est extrêmement turbulent, ce qui pourrait expliquer pourquoi la formation stellaire est si peu efficace dans cet environnement. Pour tester notre interprétation de l'émission de H2 , les résultats de la modélisation de l'émission de la poussière associée au gaz H2 , ainsi que les perspectives observationelles apportées par le satellite Herschel, sont discutés. Ces observations et ce travail théorique inscrivent l'étude du gaz moléculaire dans le cadre de la formation et de l'évolution des galaxies. Les mêmes caractéristiques d'émission H2 sont observées dans les interactions entre galaxies, la rétroaction de la formation stellaire et celle des noyaux actifs de galaxies sur le milieu interstellaire, ainsi que l'accrétion de gaz dans les amas. Un dénominateur commun de ces phases violentes de l'évolution des galaxies est la libération d'énergie mécanique en quantité suffisante pour affecter globalement le milieu interstellaire. Cette interprétation est étendue à l'émission H2 des radio-galaxies où le jet relativiste est la source d'énergie mécanique. Dans les deux cas, le gaz moléculaire apparaît comme un acteur de l'évolution dynamique des galaxies en amont de la formation stellaire. Cette thèse présente également un travail d'analyse des tests de qualité optique réalisés au CEA sur l'instrument MIRI, une caméra moyen-infrarouge qui sera intégrée sur le futur télescope spatial JWST. Cet instrument permettra d'étendre ce travail de thèse à haut redshift, pour comprendre l'impact du gaz moléculaire sur l'évolution des galaxies lorsque l'Univers était plus jeune. Cette étude servira de base pour de futurs programmes d'observations avec le JWST.