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Défi de tous les savoirs (DS10)
Edition 2014


SAGACE


Recensement de la masse stellaire et des galaxies dans les premiers 2 milliards d'années de l'Univers

SAGACE : Recensement de la masse stellaire et des galaxies dans les premiers 2 milliards d'années de l'Univers
Une des frontières en astronomie extragalactique est d'observer la croissance des galaxies dans les 1-2 milliards d'années de l'Univers. Les premières galaxies pourraient être apparues 200 millions d'années après le big-bang. Ces galaxies primordiales grossissent et peuvent devenir des galaxies composées de plusieurs centaines de milliards d'étoiles. Le but de cette ANR est de mesurer à quelle vitesse les galaxies assemblent leurs populations stellaires depuis leur enfance.

Détecter les galaxies massives les plus lointaines et observer l'accroissement de leur masse stellaire pendant 2 milliards d'années.
L'objectif de l'ANR SAGACE consiste à suivre l'évolution des galaxies sur 2 milliards d'années après le big-bang et observer les galaxies les plus massives lorsque l'Univers n'était âgé que de 500 millions d'années. Nous produisons des analyses statistiques extraites des plus grands échantillons de galaxies massives à la frontière de l'astronomie extra-galactique. Notre but est de produire une mesure d'une précision inégalée de l'accroissement de la masse stellaire à 3

SPLASH Spitzer legacy program: un programme unique pour la mesure des masses stellaires à z>4 sur un champ de 2 deg2
Notre projet est basé sur le programme SPLASH de 1700 heures avec la caméra IRAC du télescope spatial Spitzer, le seul instrument qui trace la lumière optique au repos, ce qui est crucial à z>3 pour pouvoir mesurer la masse stellaire. Nos observations couvrent un champ large de 2 degrés carrés afin de pouvoir observer des dizaines de galaxies rares et massives à z>3 , et des données suffisamment profondes pour assurer une mesure de la distance précise (Hyper Suprime-Cam en optique et UltraVISTA en proche-infrarouge). Ce travail repose sur notre capacité à créer un catalogue robuste de un million de galaxies, incluant leurs flux dans >30 filtres, puis de mesurer leurs distances et leurs masses stellaires purement basées sur des données multi-couleurs.
Notre principale difficulté consiste à mesurer la distance et la masse stellaire des sources avec une emission très faible en visible, spécialement pour les sources à z>6 qui ne sont pas détectées du tout en visible. Le but de notre projet est de mesurer l'histoire de formation d'étoiles globale et l'évolution du taux de croissance des galaxies à 3

Résultats

Les premiers 30 mois de l'ANR SAGACE ont été dédiés à la création de notre catalogue multi-couleur et au calcul des redshifts photométriques et paramètres physiques. Une étape importante a été la distribution de notre catalogue final à la communauté. Notre catalogue COSMOS2015 contient une photométrie précise obtenue en homogénéisant la qualité des images, des redshifts photométriques précis à 1-3%, et des masses stellaires pour un demi-million de sources sur le champs COSMOS. Nous avons inclue toutes les bandes visibles (>20), les nouvelles données de la caméra Hyper Suprime-Cam et les données infrarouges du «SPLASH Spitzer legacy program«. Ce catalogue est optimisé pour l'étude de l'évolution des galaxies et de l'environnement dans l'Univers lointain. Nous avons distribué notre catalogue (ftp://ftp.iap.fr/pub/from_users/hjmcc/COSMOS2015/) et publié un papier associé (Laigle, McCracken, Ilbert et al. 2016, ApJS, 2016, 224, 24).

Nous avons également publié un papier «Spitzer Bright, UltraVISTA Faint Sources in COSMOS: The Contribution to the Overall Population of Massive Galaxies at z = 3-7« (Caputi, Ilbert, Laigle C., et al., 2015, ApJ, 810, 73) pour étudier l'abondance des galaxies massives dans l'Univers lointain (press release www.eso.org/public/news/eso1545).
Nous avons également réalisé une mesure de la fonction de masse stellaire jusqu'à redshift z~6 («The COSMOS2015 galaxy stellar mass function: 13 billion years of stellar mass assembly in 10 snapshots«, Davidzon, Ilbert, Laigle et al. 2017).

Perspectives

Comme attendu, notre catalogue contient plusieurs galaxies potentiellement identifiées dans l'Univers primordial. Nous avons identifié neuf galaxies à z>7 qui pourraient être les galaxies les plus massives connues à une telle distance. Dans le but de confirmer leurs distances, nous planifions un suivi spectroscopique, avec le VLT ou HST.

A partir de la fonction de masse stellaire des galaxies entre 3
Finalement, nous avons débuté un projet en appliquant exactement les mêmes méthodes observationelles à des prédictions réalisées avec une simulation hydrodynamique. L'objectif est de réaliser une comparaison en éliminant les biais introduits par les observateurs. A partir d'une telle comparaison, nous pourrons réellement conclure sur les processus physiques en jeu pour l'évolution de la fonction de masse.

Productions scientifiques et brevets

1. Caputi, Ilbert, Laigle C., et al., 2015, ApJ, 810, 73
2. Laigle, McCracken, Ilbert et al. 2016, ApJS, 2016, 224, 24
3. Davidzon, Ilbert, Laigle et al. 2017, A&A, in press, arXiv:1701.02734

Partenaires

CNRS DR12 LAM Centre National de la recherche Scientifique délégation Provence et Corse Laboratoire d'Astrophysique de Marseille

Aide de l'ANR 173 368 euros
Début et durée du projet scientifique octobre 2014 - 36 mois

Résumé de soumission

Une des frontières actuelle en astromie extra-galactique est l'observation de la croissance des galaxies dans les premiers 1-2 milliards d'années de l'Univers. Les premières galaxies pourraient apparaître 200 millions d'années après le big-bang. Puis, ces systèmes primordiaux vont croître pour devenir des galaxies contenant des centaines de milliards d'étoiles, tel que notre propre galaxie. Nous proposons de mesurer à quelle vitesse les galaxies assemblent leurs populations stellaires dans l'Univers primordial, i.e. en isolant des galaxies qui ne sont agées que de 500 millions d'années (z~6-8) puis en étudiant leurs évolution dans les 2 milliards d'années qui suivent (à z>3).

De nombreux méccanismes physiques jouent un rôle majeur dans l'assemblage de la masse stellaire, mais leur importance relative est inconnue à z>3. Par exemple, des simulations montrent que la formation d'étoiles peut être accélérée dans l'Univers jeune, avec des filaments de matière noire pénétrant directement la galaxie, un processus appelé "accrétion froide". Mais les évidences observationelles de l'existence d'un tel processus sont très limitées. Des fusions majeures entre galaxies peuvent aussi contribuer à assembler de nouvelles galaxies massives. Mais nous ne savons pas la fréquence de tels évenements à z>3. Nous ne savons pas non plus quand les supernovae et les noyaux actifs de galaxies ont commencé à avoir un impact important pour réguler/supprimer la formation d'étoiles.

Nous avons besoin de produire des observables qui permettront de créer un scénario robuste décrivant la formation des galaxies. Notre approche consiste à produire des analyses statistique extraites d'échantillons représentatifs sélectionnés en masse stellaire jusqu'à la limite actuelle en astronomie extra-galactique.

Nous proposons de faire des mesures avec une précision inégalée sur la croissance de la masse stellaire et sur le taux de formation d'étoiles à 33. Nous allons couvrir un grand champ de 2 degrés carrés pour obtenir des dizaines de galaxies rares et massives à z ~ 7-8, des échantillons sélectionnés en masses pour une centaine de millier de galaxies à z>3 et des données d'une grande qualité pour mesurer des distances précises (HSC en optique et UltraVISTA en proche-infrarouge). En comparant les résultats de modèles semi-analytiques et phénoménologiques, nous pourrons quantifier l'importance relative des différents processus physiques qui gouvernent la formation des galaxies. Notre travail sera un héritage solide qui servira à préparer les futurs grands sondages extra-galactiques tels que EUCLID ou PFS. Notre projet fournira également des cibles pour des observations détaillées à z>6 avec JWST ou l'ELT.

 

Programme ANR : Défi de tous les savoirs (DS10) 2014

Référence projet : ANR-14-CE33-0004

Coordinateur du projet :
Monsieur Olivier Ilbert (Centre National de la recherche Scientifique délégation Provence et Corse Laboratoire d'Astrophysique de Marseille)

Site internet du projet : http://wiki.lam.fr/sagace/

 

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L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.