Sujet THESE 2010 AMRAM

Pamram

Description

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 ...

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Extrait

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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