Probing high column density neutral gas in the early universe
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Sorbonne universitéDisciplines:
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Abstract EN:
Understanding the evolution of galaxies through cosmic times is one of the key issues in observational cosmology. This evolution is intimately related to the chemical enrichment of gas both within the galaxy (also called the interstellar medium, or the ISM) and surrounding it (the circum-galactic medium, or the CGM). With the advent of modern telescopes, it is now possible to detect galaxies even at high redshift (up to z∼10). However, these galaxies are, by construction, the most luminous at their epoch implying a bias in the observed population of galaxies. A complementary method to probe galaxies independently of their luminosity is to detect them through the absorption induced by the associated gas along the line of sight to bright background sources. Among absorption systems, it has long been considered that damped Lyman-α systems (DLAs), characterized by a high column density of neutral hydrogen, corresponded to the ISM of their associated galaxies at high redshift. However, recent studies have shown that DLAs rather statistically probe the outskirts of galaxies. In this thesis, I focus on a subset of extreme DLAs containing the highest column density in neutral Hydrogen. This focused study was motivated by two primary ideas. The first idea is that the gas column density statistically decreases with galactocentric distance. The second idea is that the transition of atomic to molecular gas happens in clouds that have a neutral gas column density higher than a certain critical value. This critical value is dependant on the chemical enrichment of the gas and the ambient radiation field. In this PhD thesis, I address these two hypotheses based on a sample of 11 absorption targets chosen amongst the absorbers with the highest neutral gas column density called the extremely strong DLAs (or ESDLAs, log(N(HI) [atoms cm −2 ]) ≥ 21.7). This sample was built using low-resolution quasar spectra taken from the Sloan Digital Sky Survey database (SDSS DR 11). Medium-resolution wide-wavelength spectra of these targets were further obtained using the XSHOOTER spectrograph mounted on the Very Large Telescope (ESO-VLT, Chile). Analysis of these spectra allowed us to measure the precise column density of neutral hydrogen (using Lyman-α and other Lyman-series transitions), molecular hydrogen (using Lyman-Werner band transitions) and to study the chemical enrichment and to model the sub-components of the absorbing gas thanks to metal absorption lines. The wide-wavelength range of X-SHOOTER was also helpful in modelling the continuous absorption by dust associated with the gas. Finally, we have detected emission lines at the redshift of the absorbers at very small impact parameters. This suggests that ESDLAs preferably correspond to the inner regions of their associated galaxy. During the sample analysis, we found an ESDLA (along the line of sight of QSO SDSS J 1513+0352) with the highest column density of molecular hydrogen ever probed in an absorption system along with emission signature from the associated star-forming region in close proximity. The high signal-to-noise data helped us to identify ground state fine-structure lines of atomic carbon, which, along with rotational levels of H 2 , was used to further infer physical properties of cold gas. (...)
Abstract FR:
Comprendre l’évolution des galaxies à travers le temps cosmique est l’un des principaux axes de recherche en cosmologie observationnelle. Cette évolution est intimement liée à l’enrichissement chimique du gaz à la fois dans la galaxie (également appelé milieu interstellaire, ou ISM) et l’entourant (le milieu circum-galactique, CGM). Avec l’avènement des télescopes modernes, il est maintenant possible de détecter des galaxies à des décalages spectraux élevés (jusque z∼10). Cependant, ces galaxies sont, par construction, les plus lumineuses à leur époque, induisant un biais dans la population observée. Une méthode complémentaire pour sonder les galaxies indépendamment de leur luminosité consiste à les détecter par l’absorption produite par le gaz associé le long de la ligne de visée vers des sources lumineuses brillantes d’arrière-plan. Parmi les systèmes d’absorption, il a longtemps été considéré que les systèmes Lorentziens (DLA), caractérisés par une grande densité de colonne en gaz neutre, correspondaient à l’ISM au cœur de galaxies de grand décalage spectral. Cependant, des études récentes ont montré que les DLAs explorent statistiquement plutôt la périphérie des galaxies. Dans cette thèse, je me concentre sur un sous-ensemble de DLAs extrêmes, ayant les plus hautes densités de colonne en hydrogène neutre. Cette étude ciblée était motivée par deux idées principales. La première idée est que la densité de colonne de gaz diminue statistiquement avec la distance au centre de la galaxie. La deuxième idée est que la transition du gaz atomique vers le gaz moléculaire se produit dans les nuages qui ont une densité de colonne de gaz neutre supérieure à une certaine valeur critique. Cette valeur critique universe dépend de l’enrichissement chimique du gaz et du champ de rayonnement ambiant. Dans cette thèse, je teste ces hypothèses sur la base d’un échantillon de 11 systèmes d’absorption extrêmes (appelés extremely strong DLAs ou ESDLAs), avec log N (HI) [atomes cm −2 ]) ≥ 21.7). Cet échantillon a été construit en utilisant des spectres de quasars à basse résolution, extraits de la base de données Sloan Digital Sky Survey (SDSS DR 11). Nous avons obtenu des spectres Moyenne résolution couvrant un large domaine de longueurs d’ondes avec le spectrographe XSHOOTER monté sur le Very Large Telescope (VLT, installé au Chili). L’analyse de ces spectres nous a permis de mesurer précisément les densités de colonne en hydrogène neutre (en utilisant Lyman-α et d’autres raies de la série de Lyman), en hydrogène moléculaire (utilisant les transitions des bandes Lyman-Werner) et d’étudier l’enrichissement chimique et la structure en sous-composantes du gaz absorbant grâce aux raies métalliques. La grande couverture spectrale de X-SHOOTER a également été utile dans la modélisation de l’absorption continue due aux poussières associées au gaz. Finalement, nous avons détecté des raies d’émission au décalage spectral de l’absorbant pour plusieurs systèmes, avec de très petits paramètres d’impact. Ceci nous permet de déduire que les ESDLAs se trouvent de préférence dans les régions centrales de leur galaxie associée. Au cours de l’analyse de l’ensemble des spectres, nous avons trouvé le ESDLA (sur la ligne de visée du QSO SDSS J 1513+0352) qui présente la plus grand colonne densité en hydrogène neutre jamais observée. Nous détections également une émission associée. Le haut rapport signal-sur-bruit des données nous permet d’identifier les raies de structure fine du carbone neutre ainsi que les raies de l’hydrogène moléculaire qui sont utilisées pour derivier les propriétés physiques du gaz. (...)