Projet ANR-12-JS05-0008 – MORPHOSTAR : Contraintes morphologiques et multi-longueurs d’onde sur la croissance parallèle des galaxies et de leurs trous noirs super-massifs
Programme : JCJC - SIMI 5 - Physique subatomique et théories associées, astrophysique, astronomie et planétologie (JCJC SIMI 5)
Année de financement : 2012
Coordinateur du projet : Monsieur Emeric LE FLOC'H (Commissariat a l'Energie Atomique et aux Energies Alternatives)
Partenaires : Astrophysique, Interprétation - Modélisation, Paris-Saclay
Montant : 189996.0 euros
Date de début : 2013
Durée : 48 mois
Résumé : Contraintes morphologiques et multi-longueurs d’onde sur la croissance parallèle des galaxies et de leurs trous noirs super-massifsAvec MORPHOSTAR nous proposons 'un programme original visant à relier simultanément et pour la toute première fois les caractéristiques morphologiques des galaxies a formation stellaire dans l'Univers distant avec trois autres propriétés fondamentales : (i) la masse stellaire qu'elles ont déjà acquise, (ii) leur taux de formation d'etoiles instantane, et (iii) leur activite liee a l'accretion de matiere autour de leur trou noir central.
Une nouvelle approche pour mieux comprendre les propriétés structurelles des galaxies au pic de l'histoire cosmique de la formation d'étoilesJusqu'a present la morphologie des galaxies distantes a été en grande partie explorée comme une propriété secondaire des sources d'abord sélectionnées en fonction d'autres paramètres comme leur masse stellaire, leur couleur optique ou leur luminosité monochromatique dans l'infrarouge, la radio ou les rayons X. Puisque ces sélections souffrent de leur propre biais, ceci a conduit a de nombreux desaccords sur les mécanismes gouvernant la formation de galaxie. Visant a une compréhension moins biaisee de cette problématique, nous proposons un nouveau programme ambitieux avec deux principaux aspects: (i) nous relierons les propriétés structurelles des galaxies distantes (sondees par leur morphologie) avec simultanement leur masse stellaire, leur taux de foramtion d'etoiles et leur activite nucleaire; (ii) nous réduirons au minimum les effets de sélection en SFR et taux d'activite nucleaire grâce à la combinaison d'un grand nombre d'indicateurs multi-longueurs d'onde et de diagnostics. Un tel effort global n'a jamais été mene jusqu'a present et nous attendons en retour des avancees significatives sur notre comprehension de la formation des galaxies.* La morphologie des galaxies sera déterminée non seulement a partir des images publiques d'ACS/HST mais également aux longueurs d'onde optiques au repos grace aux donnees de la camera WFC3. Elles fourniront des informations critiques sur les propriétés structurelles du composant stellaire des galaxies distantes, avec moins de biais prevenant de l'extinction des poussieres.* L'activite de formation stellaire sera quantifiee grace aux observations les plus profondes jamais realisees dans l'infrarouge lointain par le satellite Herschel.* Une vue moins biaisee sur la presence des noyaux actifs sera obtenue en combinant de nouveaux diagnostics de raies avec des selections en X et en infrarouge moyen.* Des comparaisons detaillees seront etablies entre les morphologies observees et les signatures attendues des simulations.
Comprendre les proprietes structurelles des galaxies distantes a partir de leur morphologie aux longueurs d'onde optiques au reposNotre projet vise à comprendre la connexion qui doit exister entre les propriétés structurelles des galaxies distantes, leur masse stellaire, leur activité de formation d'étoiles et leur activite nucléaire. Pour atteindre cet objectif, nous allons sonder les caractéristiques structurelles des galaxies au pic de l'histoire cosmique de la formation d'étoiles (1
Résumé de la soumission : La presence d'elliptiques massives, de grands disques en rotation et de trous noirs super-massifs a grand redshift revele qu'une croissance et une evolution rapides de la structure des galaxies se sont produites des les premiers millards d'annees de l'histoire cosmique, non seulement grace a des phenomenes "externes" comme les fusions de galaxies mais egalement par des mecanismes internes comme les instabilites dans les disques, la turbulence et les phenoemes de retroaction. Cependant, le role exact que chacun de ces diffrents processus a pu jouer dans le croissance des structures reste encore peu contraint par les observations. Nous proposons un programme original avec pour but de quantifier la contribution des differents modes d'assemblage des galaxies, avec notamment une attention toute particuliere quant aux mecanismes qui ont gouverne la croissance parallele des bulbes et de leurs trous noirs. Dans ce but, nous combinerons des observations uniques de l'Univers profond a 1(i) a l'echelle des galaxies individuelles, comment la morphologie a pu varier en fonction de la masse stellaire, du taux de formation d'etoile, de l'activite nucleaire ainsi que du redshift;(ii) a l'echelle cosmologique, comment les differents processus qui ont gouverne l'evolution des galaxies ont contribue a l'histoire cosmique de la croissance de la masse stellaire et des trous noirs.(iii) l'histoire de la transformation morphologique des galaxies au cours de l'histoire de l'Univers.Notre equipe au CEA beneficie d'un acces privilegie a des jeux de donnees multi-longueurs d'onde de l'Univers distant parmi les meilleurs obtenus jusque la, incluant de nouvelles images a haute resolution spatiale obtenues par HST/WFC3 dans les champs GOODS et COSMOS, des observations ultra-profondes en IR lointain et dans les rayons X prises avec les satellites Herschel et Chandra, ainsi que de spectroscopie au sol et une grande collection de redshifts. Notre expertise inclut la caracterisation detaillee des proprietes physiques des galaxies (distributions spectrales d'energie, diagnostics d'activite, dynamique du gaz, ...) et nous developpons actuellement d'importantes simulations hydrodynamiques de la formation des structures afin d'interpreter l'evolution de la structures des galaxies observee dans le contexte cosmologique global. Dans notre groupe cependant, la caracterisation de la morphologie des galaxies n'a pas ete poussee en tant que priorite jusqu'ici, et nous manquons une expertise dans ce domaine. Nous demandons donc un soutien de l'ANR afin de financer une position non-permanente de 3 ans pour un chercheur exterieur ayant une grande experience dans la morphologie des galaxies distantes. Cette position supplementaire viendra completer notre expertise actuelle et nous aidera ainsi a creer la synergie necessaire pour mener a bien notre projet. Le cout total de notre projet s'eleve a 1,271,603 Euros et l'aide financiere que nous demandons a l'ANR est de  205,920 Euros (16%).
Résultats : Résultats:  decouverte d'un clump geant de formation stellaire dans ses tous premiers stades d'evolution, au sein d'une galaxie a redshift z~2 : cette etude a ete menee grace a des donnees spectroscopiques obtenues par HST/WFC3 dans un cluster a grand redshift. Les cartes de raies d'emission que nous avons reconstruites nous ont permis de detecter un clump de formation d'etoiles particulierement brillant dans la raie d'[OIII] mais ne presentant pas d'emission continuum sous-jacente. Les contraintes obtenues sur la largeur equivalente de la raie d'[OIII] indiquent un age inferieur a 10 Millions d'annees, ce qui nous permet donc de mieux caracteriser le mode de formation stellaire et l'efficacite de formation d'etoiles dans les toutes premieres phases d'effondrement gravitationnel de ces clumps. 
* Morphologie des galaxies a grand redshift determinee par les cartes de masse stellaire : en analysant la distribution spatiale de masse stellaire de galaxies distantes modelisees a partir de simulations hydrodynamiques a tres haute resolution angulaire, nous avons calibre une nouvelle methode permettant de distinguer les galaxies isolees des systemes en interaction de maniere plus efficace (i.e., completude plus importante, et contamination plus faible) que les methodes utilisees jusqu'a present sur des images en bande large. Les contraintes obtenues via cette methode sur l'evolution du taux de fusions majeures dans l'Univers a grand redshift est en cours d'etude.
Perspectives : Une discussion avec le groupe de travail sur la morphologie des galaxies au sein du consortium Euclid est actuellement en cours, de maniere a etablir comment la methode que nous avons mis en place a partir de l'analyse des cartes de masse des galaxies distantes pourrait etre utilisee au sein du «Galaxy Legacy Survey« d'Euclid.
Publications et brevets : Au 01/10/2015: 
- 13 communications orales de nos resultats, dans des conferences internationales;
- 2 articles publies: 
 « An extremely young massive clump forming by gravitational collapse in a primordial galaxy », Zanella, A., Daddi, E., Le Floc’h, E., et al.,  Nature 521, 54
« A Physical Approach to the Identification of High-z Mergers: Morphological Classification in the Stellar Mass Domain », Cibinel, A., Le Floc’h, E., Perret, V., et al., 2015, ApJ 805, 181