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

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<z<8. Nous employons une technique indépendante et complémentaire basées sur le recensement de la masse stellaire. La totalité des mesures dans ce domaine de redshift sont basées sur la lumière émise par les étoiles massives à courte durée de vie, tandis que nous basons nos mesures sur les nombreuses étoiles de faibles masses à longue durée de vie. Cette nouvelle mesure est importante car elle permet de contraindre les processus physiques expliquant la conversion du gas baryonique en populations d'étoiles. En comparant nos mesures avec les prédictions de la simulation hydrodynamique HORIZON-AGN, nous apportons une nouvelle contrainte sur ces processus physiques. Finalement, nous organisons un suivi spectroscopique de ces sources massives avec le VLT et le HST, et nous proposerons nos sources comme cibles pour le JWST en 2017.

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).

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<z<6 mesuré par Davidzon et al. 2017, nous calculons l'évolution du taux relatif de croissance des galaxies. Nos résultats préliminaires montrent une augmentation constante du taux relatif de croissance des galaxies. Cette évolution s'expliquerait si la quantité de masse alimentant la galaxie était proportionelle à la croissance du halo de matière noire.<br />
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.

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

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 3<z<6 et nous proposons de produire le plus grand recencement de galaxies massives à 6<z<8. Ce projet est devenu possible grâce à notre programme SPLASH - 1700 heures d'observations avec la caméra IRAC du télescope Spitzer - le seul instrument qui permet de fournir des mesures robustes de la masse stellaire à z>3. 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.