Etude approfondie de la galaxie spirale de type floculent NGC 4414. Dynamique, milieu interstellaire et formation d'étoiles.
Résumé
My PhD thesis deals with the study of the dynamics of the spiral galaxy NGC 4414 for which I have used a six-field CO(1-0) mosaic obtained from IRAM Plateau de Bure observations and deep multiwavelength Hubble Space Telescope Observations. The goals of the thesis were to determine whether the spiral armlets in NGC 4414 are long-lived and to obtain a measure of the stellar mass-to-light ratio, the ultimate goal being to estimate the mass and extent of the dark matter surrounding NGC 4414. The starlight and gas in NGC 4414 are quite axisymmetric so I could use the analytical 3D expressions for gravitational potential and density proposed by Myamoto-Nagai (1975). The mass model is strongly constrained by our high-resolution (interferometric) CO(1-0) rotation curve and HST observations in the B, V and I bands.
By assuming that the stellar mass follows I-band light in the unobscured center and beyond the highly extincted molecular ring and fitting the well-determined CO rotation curve in the nuclear ring region, the mass distribution was determined quite precisely and the stellar M/L ratio measured as a function of radius. A posteriori, the mass model was found to be equivalent to the K' band light distribution with a constant mass-to-light ratio at nearly 0.5 M⊙/L⊙, because the extinction has little effect at 2.1 mm. I show that it is nearly worthless to use a constant M/L ratio at optical wavelengths for a spiral galaxy, as is often done with the so-called maximum disk models.
The interferometric CO observations not only yield a high-resolution rotation curve but can be used to measure non-circular, possibly streaming, motions which could be due to the spiral armlets if long-lived. No sign of streamng motions is found, such that any streaming is a factor 5-10 lower in velocity than in the grand design spiral M 51. No emission was detected in the H2S(1-0) line, indicating a lack of strong shocks. A major structural difference was found between NGC 4414 and M 51 (and other grand design spirals) despite their similar luminosity, gas mass, and star formation rates. The arm-interarm contrast is much lower in NGC 4414 than M 51, as expected, but also the contrast rises dramatically with radius in M 51 whereas it remains constant in NGC 4414. I reach the conclusion that there is no persistent spiral structure in NGC 4414. The star formation likely propagates over kiloparsec scales and these regions are stretched by the differential rotation to give the spiral pattern.
By assuming that the stellar mass follows I-band light in the unobscured center and beyond the highly extincted molecular ring and fitting the well-determined CO rotation curve in the nuclear ring region, the mass distribution was determined quite precisely and the stellar M/L ratio measured as a function of radius. A posteriori, the mass model was found to be equivalent to the K' band light distribution with a constant mass-to-light ratio at nearly 0.5 M⊙/L⊙, because the extinction has little effect at 2.1 mm. I show that it is nearly worthless to use a constant M/L ratio at optical wavelengths for a spiral galaxy, as is often done with the so-called maximum disk models.
The interferometric CO observations not only yield a high-resolution rotation curve but can be used to measure non-circular, possibly streaming, motions which could be due to the spiral armlets if long-lived. No sign of streamng motions is found, such that any streaming is a factor 5-10 lower in velocity than in the grand design spiral M 51. No emission was detected in the H2S(1-0) line, indicating a lack of strong shocks. A major structural difference was found between NGC 4414 and M 51 (and other grand design spirals) despite their similar luminosity, gas mass, and star formation rates. The arm-interarm contrast is much lower in NGC 4414 than M 51, as expected, but also the contrast rises dramatically with radius in M 51 whereas it remains constant in NGC 4414. I reach the conclusion that there is no persistent spiral structure in NGC 4414. The star formation likely propagates over kiloparsec scales and these regions are stretched by the differential rotation to give the spiral pattern.
Ce projet de thèse consiste en l'étude de la dynamique de la galaxie spirale NGC 4414 via une grande mosaïque d'observations de la raie de CO(1-0) avec l'interféromètre du Plateau de Bure, ainsi que des observations multi longueurs d'onde profondes du Télescope Spatial Hubble. Les objectifs de cette thèse sont de déterminer si les bras spiraux de NGC 4414 sont persistants mais aussi d'obtenir une mesure du rapport masse sur luminosité stellaire, le but final étant d'estimer la masse et l'étendue de la matière noire dans NGC 4414. Le modèle de masse est fortement contraint par notre courbe de rotation CO(1-0) à haute résolution et par les observations HST dans les bandes B, V et I. En supposant que le profil de masse stellaire suit le profil de lumière en bande I dans la région centrale pauvre en poussière et en gaz, et au delà de l'anneau moléculaire, et en reproduisant fidèlement la courbe de rotation CO dans la région centrale, la distribution de masse a pu être déterminée précisément et le rapport M/L stellaire mesuré en fonction du rayon galactocentrique. A posteriori, nous avons trouvé que le modèle de masse était équivalent à la distribution de lumière en bande K' avec un rapport M/L constant proche de 0.5 M⊙/L⊙, parce que l'extinction est faible à 2.1 µm. Je montre que l'utilisation d'un rapport M/L constant aux longueurs d'onde optiques, comme c'est le cas pour les modèles de disque maximum, est fortement déconseillé.
Les observations interférométriques CO ne nous donne pas seulement une courbe de rotation à haute résolution, elles peuvent permettre de mesurer des mouvements non circulaires, de "streaming", qui peuvent être dus à des bras spiraux, si ceux-ci sont persistants. Aucun signe de mouvement de "streaming" n'a été trouvé, puisque les mouvements non circulaires sont 5 à 10 fois plus faibles que dans la galaxie "grand design" M 51. L'émission de la raie de H2S(1-0) n'a pas été détectée, indiquant une absence de chocs violents. Nous avons mis en évidence une différence structurale majeure entre NGC 4414 et M 51 (et d'autres galaxies du même type) en dépit d'une luminosité, d'une masse de gaz et d'un taux de formation d'étoiles semblables. Le contraste bras-interbras est plus faible dans NGC 4414, comme attendu, mais celui-ci augmente fortement en fonction du rayon dans M 51, alors qu'il reste constant dans NGC 4414. J'aboutis à la conclusion qu'il n'y a pas de structure spirale persistante dans NGC 4414.
Les observations interférométriques CO ne nous donne pas seulement une courbe de rotation à haute résolution, elles peuvent permettre de mesurer des mouvements non circulaires, de "streaming", qui peuvent être dus à des bras spiraux, si ceux-ci sont persistants. Aucun signe de mouvement de "streaming" n'a été trouvé, puisque les mouvements non circulaires sont 5 à 10 fois plus faibles que dans la galaxie "grand design" M 51. L'émission de la raie de H2S(1-0) n'a pas été détectée, indiquant une absence de chocs violents. Nous avons mis en évidence une différence structurale majeure entre NGC 4414 et M 51 (et d'autres galaxies du même type) en dépit d'une luminosité, d'une masse de gaz et d'un taux de formation d'étoiles semblables. Le contraste bras-interbras est plus faible dans NGC 4414, comme attendu, mais celui-ci augmente fortement en fonction du rayon dans M 51, alors qu'il reste constant dans NGC 4414. J'aboutis à la conclusion qu'il n'y a pas de structure spirale persistante dans NGC 4414.