La transition HI-H2 dans l'Univers lointain – HIH2

La spectroscopie en absorption dans le spectre de sources brillantes d'arrière-plan constitue un excellent moyen de mesurer les différents constituants du milieu interstellaire (HI, H2, métaux, poussière) aux échelles où la transition se produit. Cependant, la transition est restée pratiquement hors d'atteinte jusqu'à présent dû à la très petite section efficace d'absorption du gaz moléculaire. Les études en absorption sont donc restées limitées aux phases atomiques très diffuses.
Le projet propose de surmonter ce challenge grâce à des sélections innovatrices et complémentaires des absorbants dans des grands relevés spectroscopiques, ainsi qu'un suivi avec de grands télescopes afin de déterminer les conditions physiques et chimiques à partir de l'abondance et de l'excitation d'espèces atomiques et moléculaires, avec l'aide de codes de modélisation avancés, et des descrption théoriques de la transition.

Nous avons développé plusieurs techniques de sélection extrêmement efficaces du gaz moléculaire ou susceptible de conversion HI-H2 et étudié leur complémentarité. En particulier, nous observons une transition sur un très grand éventail de métallicité, alors que les mesures locales n'en sondent qu'un petit domaine. Nous montrons que le rapport de l'intensité du flux UV à la densité est un élément clef définissant le point de transition, pour une métallicité donnée, tel que prédit par les études théoriques.

Nous avons également étudié le gaz au coeur de galaxies grâce aux susauts gamma d'une part, et des absorbants intervenants le long de la ligne de visée de quasars, mais observés à très petits paramètre d'impact (< 1 kpc) d'autre part.

Nous avons obtenu une première mesure de la fonction de distribution du gaz moléculaire à z~3, montrant que la phase moléculaire diffuse contient environ 15% du budget cosmologique en gaz moléculaire et que la transition du gaz atomique vers moléculaire apparait à des densités surfaciques typiquement bien plus élevées que localement, dans les conditions d'enrichissement chinique moyen du gaz dans l'Univers lointain.

Nous avons également sondé le gaz sur plusieurs échelles grâce à l'observation d'un quasar lentillé gravitationnellement, mettant ainsi une contrainte directe sur le facteur de remplissage du gaz froid. Celui-ci est confiné dans des nuages de taille inférieure au parsec, mais ces nuages sont distribués sur des échelles supérieures au kpc.

Enfin, notre projet a permi de détecter une sur-densité de gaz moléculaire dans l'environement proche des quasars. Ceci ouvre la voie à l'étude de l'alimentation et des effets rétroactifs du quasar et sonder la physique du gaz dans cet environment hostile.

En sus d'explorer des environements aux charactéristiques très variées (en terme de sélection, d'enrichissement chimique, de flux UV ambiant, etc.) et d'en effectuer des études détaillées, nous souhaitons maintenant également interpréter les données collectées de manière globale, afin de comprendre la distribution de gaz moléculaire à grand décalage spectral, en fonction des charactéristiques des galaxies associées.
L'ouverture du projet au gaz associé aux quasars ouvre un nouveau domaine de recherche apportant des contraintes uniques sur le problème de la co-évolution des galaxies et noyaux actifs.

Noterdaeme et al. 2018, A&A, 612, A58 : «Spotting high-z molecular absorbers using neutral carbon»

Balashev & Noterdaeme 2018, MNRAS 478, L7 : «Constraining the H2 column distribution at z~3 from composite DLA spectra»

Ranjan et al. 2018, A&A, 618, A184 : «Molecular gas and star-formation in an absorption-selected galaxy: hitting the bull’s eye at z=2.46«

Krogager et al. 2018, A&A, 619, A142 : « Dissecting cold gas in a high-redshift galaxy using a lensed background quasar »

Heintz et al. 2019, A&A, 621, A20 : «Cold gas in the early Universe. Survey for neutral atomic-carbon in GRB host galaxies at 1 < z < 6 from optical afterglow spectroscopy»

Krogager et al. 2019, MNRAS, 486, 4377 : « The effect of dust bias on the census of neutral gas and metals in the high-redshift Universe due to SDSS-II quasar colour selection »

Noterdaeme et al. 2019, A&A, 627, A32 : «Proximate molecular quasar absorbers: Excess of damped H2 systems at zabs˜zQSO in SDSS DR14 »

Heintz et al. 2019, A&A, 629, A131: «New constraints on the physical conditions in H 2 -bearing GRB-host damped Lyman-a absorbers«

Balashev et al. 2019, MNRAS, 490, 2668: «X-shooter observations of strong H 2 -bearing DLAs at high redshift«

Ranjan et al. 2020, A&A, 633, A125: «Chemical enrichment and host galaxies of extremely strong intervening DLAs towards quasars«

Krogager et al., 2020, MNRAS, 495, 3014: «High-redshift damped Ly-alpha absorbing galaxy model reproducing the N(HI) - Z distribution«

Balashev et al. 2020, MNRAS, 497, 1946: «Nature of the DLA towards Q 0528-250: High pressure and strong UV field revealed by excitation of CI, H2 , and Si II«

Zou et al. 2020, ApJ, 901, 105: «Carbon-enhanced Lyman Limit System: Signature of the First Generation of Stars?«

Krogager & Noterdaeme 2020, A&A, 644, L6: «Modelling the Statistics of Cold Neutral Medium in Absorption-selected High-redshift Galaxies«

Klimenko et al. 2020, AstL, 46, 715: «Estimation of the Cosmic Microwave Background Temperature from Atomic C I and Molecular CO Lines in the Interstellar Medium of Early Galaxies«

Noterdaeme et al. 2021, A&A, 646, A108: «Down-the-barrel observations of a multi-phase quasar outflow at high redshift«

Noterdaeme et al. 2021, A&A, 651, A78: «Sharpening quasar absorption lines with ESPRESSO«

Noterdaeme et al. 2021, A&A, 651, A17: «Remarkably high mass and velocity dispersion of molecular gas associated with a regular, absorption-selected type I quasar«

Kosenko et al. 2021, MNRAS, 505, 3810: «HD molecules at high redshift: cosmic-ray ionization rate in the diffuse interstellar medium«

Heintz et al. 2021, MNRAS, 507, 1434: «GRB host galaxies with strong H2 absorption: CO-dark molecular gas at the peak of cosmic star formation«

Balashev et al. 2022, MNRAS, 509, L26: «CII*/CII ratio in high-redshift DLAs: ISM phase separation drives the observed bimodality of [CII] cooling rates«

Telikova et al. 2022, MNRAS, 510, 5974: «Extremely strong DLAs at high redshift: Gas cooling and H2 formation«

La conversion du gaz atomique (HI) en gaz moleculaire (H2) dans les galaxies est un processus fondamental profondément associé au démarrage de la formation d'étoile et en conséquence, à l'évolution des galaxies. En effet, on sait que les étoiles se forment dans les nuages moléculaires. De plus, de nombreuses observations résolues de galaxies proches ont montré que la densité surfacique du taux de formation stellaire était fortement corrélée avec la densité surfacique de gaz moléculaire. Cependant, les processus qui conduisent à la formation de gaz moleculaire à partir du gaz atomic font intervenir une physique complexe et dépendent fortement de l'enrichissement chimique (comme l'abondance et les propriétés de la poussière) et des conditions physiques des nuages gazeux (comme la densité, température, champ rayonnant et flux de rayons cosmiques). On s'attend donc à ce que la transition HI-H2 se déroule différemment dans différents milieux.
Des progrès importants ont été récement possible dans la compréhension de la transition dans des nuages proches, grâce à des observations résolues et des travaux théoriques détaillés. D'un autre coté, nos connaissances de cette conversion restent très limitées en ce qui concerne l'Univers lointain. Le but de ce projet ANR est de résoudre ce problème.
La spectroscopie en absorption dans le spectre de sources brillantes d'arrière-plan présente en principe un excellent moyen de mesurer les différents constituants du milieu interstellaire (HI, H2, métaux, poussière) aux échelles où la transition se produit. Cependant, la transition est restée pratiquement hors d'atteinte jusqu'à présent dû à la très petite section efficace d'absorption du gaz moléculaire. Le domaine est donc resté principalement limité à l'étude des phases atomiques très diffuses. Nous allons surmonter ce challenge grâce à des sélections innovatrices et complémentaires des absorbants dans des grands relevés spectroscopiques, ainsi qu'un suivi avec de grands télescopes. Nous avons déjà collecté une grande quantité de données avec le Very Large Telescope, qui sont prêtes pour l'analyse. Nous allons déterminer les conditions physiques et chimiques à partir de l'abondance et de l'excitation d'espèces atomiques et moléculaires, avec l'aide de codes de modélisation avancés, et nous allons tester et adapter les theories décrivant la transition. Finalement, nous utiliserons ces théories pour déterminer des cartes moléculaires à partir de simulations à haute-résolution de l'évolution des galaxies, et ainsi comparer l'environement gazeux avec nos observations.
Le Coordinateur Scientifique a rassemblé une équipe solide avec un éventail d'expertises très complémentaires. Un soutien financier est demandé pour soutenir cette recherche, en particulier pour financer une main d'oeuvre post-doctorale ey pour entretenir une interaction forte entre les membres de l'équipe, ainsi que pour maximiser l'impact global du projet.