Sujet THESE 2010 AMRAM

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Sujet de thèse de doctorat de l’université de Provence Ecole Doctorale Physique et Sciences de la matière Aix-Marseille Université Sujet de la thèse : Formation et évolution des galaxies. Analyse cinématique des galaxies spirales et irrégulières proches et lointaines Mots clefs : Galaxies – formation, évolution, cinématique, dynamique. Cosmologie. Nom du directeur de thèse habilité à diriger des recherches (HDR, collège A ou docteur d’Etat) : Philippe AMRAM, HDR, Pr, Equipe Physique des Galaxies Adresse du directeur de thèse : LAM, Technopole de Château Gombert Résumé. L’objectif de cette thèse est d’étudier la formation et l’évolution des galaxies en apportant une contribution cinématique et dynamique originale. Il s’agit d’extraire les paramètres physiques et cinématiques, à partir du plus gros échantillon de galaxies spirales et irrégulières proches jamais obtenu à l’aide de spectro-imagerie 3D, en utilisant une double approche à la fois cinémétrique et bayésienne et à les comparer aux galaxies distantes. Objectif scientifique. Cette thèse s’inscrit dans la mouvance du déchiffrement de l’histoire de l’évolution et de l’organisation de l’univers pour en retracer l’histoire sur une période qui couvre plus de 80% des 13.7 milliards d’années de la vie de l’univers. Dans un contexte scientifique international très compétitif, l’objectif de ...
Publié le : samedi 24 septembre 2011
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Sujet de thèse de doctorat de l’université de Provence
Ecole Doctorale Physique et Sciences de la matière
Aix-Marseille Université
Sujet de la thèse :
Formation et évolution des galaxies.
Analyse cinématique des galaxies spirales et irrégulières proches et lointaines
Mots clefs :
Galaxies – formation, évolution, cinématique, dynamique. Cosmologie.
Nom du directeur de thèse habilité à diriger des recherches (HDR, collège A ou docteur d’Etat) :
Philippe
AMRAM, HDR, Pr, Equipe Physique des Galaxies
Adresse du directeur de thèse
: LAM, Technopole de Château Gombert
Résumé.
L’objectif de cette thèse est d’étudier la formation et l’évolution des galaxies en apportant une
contribution cinématique et dynamique originale.
Il s’agit d’extraire les paramètres physiques et cinématiques, à
partir du plus gros échantillon de galaxies spirales et irrégulières proches jamais obtenu à l’aide de spectro-
imagerie 3D, en utilisant une double approche à la fois cinémétrique et bayésienne et à les comparer aux
galaxies distantes.
Objectif scientifique.
Cette thèse s’inscrit dans la mouvance du déchiffrement de l’histoire de l’évolution et de
l’organisation de l’univers pour en retracer l’histoire sur une période qui couvre plus de 80% des 13.7 milliards
d’années de la vie de l’univers.
Dans un contexte scientifique international très compétitif, l’objectif de cette
thèse est de mettre en oeuvre et d’utiliser des outils performants et innovateurs pour analyser les cubes de
données optiques H-Alpha afin de contribuer à la compréhension de la formation et de l’évolution des galaxies.
Ces outils seront utilisés pour comprendre les différences entre les galaxies jeunes et peu évoluées d’une part
et les galaxies proches et évoluées d’autre part. Un des objectifs importants de l’étude des galaxies distantes
est d’explorer si l’on peut empiriquement et sans confusion distinguer les galaxies lointaines en cours de fusion
ou ayant encore des disques encore instables, des disques à l’équilibre en rotation tels qu’on les observe
aujourd’hui, sur la base de leur cinématique en prenant en compte les asymétries et les propriétés des galaxies
locales de référence.
Pour ce faire, une classification objective de l’information cinématique et une
comparaison quantitative des galaxies lointaines avec les galaxies locales sont à mettre en oeuvre.
Ces
objectifs peuvent être approchés en utilisant des méthodes d’analyse cinémétriques et bayésiennes sur les
galaxies proches et distantes pour identifier les signatures des mouvements non circulaires en s’appuyant sur
les informations spectro-photométriques.
Matériel observationnel.
L’observation des galaxies et l’analyse des données permettent d’appréhender leurs
propriétés physiques et dynamiques et l’évolution de ces propriétés en lien avec l’environnement.
La réalisation
de ce travail de thèse passe par l’utilisation des observations déjà obtenues et disponibles (imagerie et
cinématique) de galaxies proches et lointaines.
D’une part, le survey GHASP (Gassendi H-Alpha survey of
SPiral and Irregular galaxies,
http://fabryperot.oamp.fr/PerotFabry/) qui est constitué par un échantillon de 200
cubes de données de galaxies spirales et irrégulières de tout type morphologique et de toute luminosité.
Il
représente un échantillon de référence pour l'étude de la cinématique des galaxies proches et lointaines. Les
observations ont été réalisées avec un Fabry-Perot à balayage qui permet d'obtenir des cubes de données (i.e.
un spectre pour chaque point du champ bidimensionnel).
L’ensemble de l’échantillon est aujourd’hui réduit, la
première partie de l’échantillon est publiée et les données relevant de la dernière partie de l’échantillon sont en
cours de publication (Epinat et al, soumis).
D’autre part, depuis quelques années, plusieurs équipes dans le
monde conduisent des grands programmes d’observation pour obtenir des champs de vitesses et de dispersion
de galaxies distantes à haut taux de formation d’étoiles. En effet, les spectroscopes de champ intégral de
nouvelle génération à haute ou moyenne résolution spectrale comme GIRAFFE ou SINFONI sur le VLT ou
OSIRIS sur le KECK permettent d’obtenir des cubes de données sur des galaxies distantes et jeunes (z<3).
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L’échantillon GHASP de galaxies proches pourra être comparé à l’échantillon de galaxies distantes en cours
d’obtention à l’ESO dans le cadre d’un «Large Program » à l’aide du spectro-imageur infra-rouge proche
SINFONI assisté par de l’optique adaptative.
Méthodologie.
Pour déchiffrer l’information cachée dans les observations des galaxies distantes non résolues
à la lumière des observations de galaxies proches résolues, une analyse cinémétrique et une analyse
bayésienne seront mises en oeuvre et comparées. L’analyse cinémétrique repose sur l’analyse de Fourrier des
champs de vitesses. Les différents termes du développement en harmoniques sont interprétés en termes de
mouvements circulaires, mouvements non circulaires axisymétriques ou non et composantes cinématiques
multiples. L’autre méthode originale proposée dans cette thèse est le développement et l’utilisation de la
segmentation bayésienne multi-bandes de cubes de données optiques. L’analyse multi-bandes produit des
cartes de segmentation correspondant aux zones de l’image possédant des caractéristiques cinématiques
homogènes spectralement et spatialement, elle permet de mettre en exergue une information masquée dans
l’analyse classique des cartes de moments.
La méthode consiste à modéliser des spectres en chaque point du
champ galactique à l’aide d’un mélange de densités de probabilités et de définir des classes de profils similaires
pour trier les informations en imposant des contraintes physiques comme par exemple la continuité spatiale du
tri (assurée par un modèle markovien).
L’estimation des paramètres est réalisée grâce à une approche de type
EM (Expectation-Maximization). Cette approche qui a donné des résultats intéressants sur cubes
radiocentimétriques pourrait serait adaptée aux cubes dans la bande optique, en prenant en compte la physique
de formation des données.
Résultats attendus.
1. des progrès sur la connaissance et la compréhension des propriétés physiques, cinématique et dynamique
des galaxies proches et distantes en termes de structures, masses et distribution de matière visible et noire,
environnement, formation et évolution ;
2. l’utilisation de ces nouvelles méthodes sur les galaxies proches et sur les galaxies distantes pour permettre
le déchiffrage des cubes de données des galaxies distantes à la lumière des cubes de données des galaxies
proches;
3. la validation sur des cubes de données optiques de la méthode de segmentation bayésienne multibandes et
de la cinémétrie;
4. un rapprochement interdisciplinaire entre l’astrophysique et les méthodes avancées d’analyse statistique et
d’optimisation de données qui ne sont pas ou peu utilisées en astrophysique.
En particulier, la résolution du
problème de segmentation étant un problème inverse mal posé, la mise en oeuvre d’approches
markoviennes permettant de régulariser la solution paraît très prometteuse;
5. la mise au point d’outils de traitement qui permettent l’utilisation de la méthode sur une grande quantité de
données ;
6. la validation de la méthode sur les instruments VLT existant (SINFONI, GIRAFE) permettrait de préparer des
outils pour préparer les observations et l’analyse pour les instruments VLT à venir (e.g. MUSE) et ensuite
pour les « ELTs » (Extra Large Telescopes).
Collaborations
(pour les différents aspects : galaxies proches, galaxies distantes, méthodologie, …)
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LAM : Michel Marcelin
o
LATT : Benoît Epinat
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