Host galaxies and environment of active galactic nuclei : a study of the XMM large scale structure survey

Tasse, C.

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Tasse, C. (2008, January 31). Host galaxies and environment of active galactic nuclei : a study of the XMM large scale structure survey. Leiden Observatory, Faculty of Science, Leiden University. Retrieved from https://hdl.handle.net/1887/12586

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R´esum´e en franc¸ais

Les noyaux actifs de galaxies (NAG) sont des objets fascinants (cf. la figure 9.1). La principale th´eorie les d´ecrivant, le Mod`ele Unifi´e, ´etablit que les propri´et´es que l’on observe au sein des NAG sont la cons´equence de la chute de mati`ere dans un trou noir dont la masse peut atteindre plusieurs milliards de masses solaires. En tombant dans le trou noir, la mati`ere forme un disque, et lib`ere de gigantesques quantit´e d’´energie suivant un processus que l’on nomme accr´etion (on parle alors du disque d’accr´etion). Ce processus de transformation d’´energie est le plus efficace que l’on connaisse : il correspond `a la transformation d’´energie gravitationelle en ´energie thermique, avec une efficacit´e de l’ordre d’une dizaine de pour cent (contre ∼ 1% pour la fusion thermonucl´eaire).

Dans cette th´eorie, le trou noir est entour´e d’un tore de poussi`ere et de nuages de gaz orbitants autour et `a l’int´erieur du syst`eme tore/trou noir. Le disque d’accr´etion d´egage un rayonnement intense dans les domaines ultraviolet et X. Ce rayonnement provoque notamment le chauffage du tore de poussi`ere (cf. la figure 9.2). Dans certains NAG (les NAG radio), on observe des jets de particules qui se propagent orthogonalement au plan du tore de poussi`ere, en ´emettant des ondes radio.

Fig. 9.1: La galaxie NGC 7742 est de type Sey- fert 1. Elle montre des signes d’activit´e dans ses r´egions centrales. Dans l’image commun´ement ac- cept´ee, cette immense quantit´e d’´energie est pro- duite par la chute de mati`ere dans un trou noir su- permassif situ´e en son centre.

Fig. 9.2: Vue d’artiste d’un NAG tel que d´ecrit par le Mod`ele Unifi´e (elle correspond aux r´egions centrales de la galaxie de la figure 9.1).

Le trou noir super massif est entour´e d’un tore de poussi`ere. Le rayonnement ionisant, ainsi que les

´eventuels jets radio, se propagent dans la direc- tion orthogonale au plan du tore.

Bien que le trou noir ait une masse n´egligeable `a cˆot´e de celle de sa galaxie hˆote, son rˆole quant

`a la formation des structures dans l’Univers, pourrait-ˆetre determinant. En effet, l’immense quan- tit´e d’´energie d´egag´ee lors d’une courte p´eriode d’activit´e d’un de ces monstrueux trous noirs peut

Fig. 9.3: (A gauche) Dans l’univers local, les NAG sont associ´es `a des collisions de galaxies. On pense que l’interaction entre galaxies peut causer la chute de gaz froid vers les r´egions centrales de la galaxie – o`u r´eside le trou noir – et d´eclencher l’activit´e du NAG dans son mode Quasar (voir texte). (A droite) De grandes quantit´es de gaz chaud du milieu inter-galactique sont observ´ees dans l’atmosph`ere des galaxies elliptiques massives (le gaz `a gauche, les ´etoiles `a droite). Certains auteurs proposent que ce gaz chaud, en refroidissant, est `a mˆeme d’atteindre les r´egions centrales de la galaxie. Ce m´ecanisme peut constituer un moyen alternatif afin de d´eclencher l’activit´e des NAG dans leur mode Radio.

´egaler l’´energie de liaison d’un amas de galaxie, qui contient plusieurs milliers de galaxies, cha- cune contenant plusieurs centaines de milliards d’´etoiles. Ainsi, il est de plus en plus couramment accept´e que pour conter la grande histoire de l’univers et d´ecrire son ´etat actuel, il est n´ecessaire de parler de l’existence des NAG, et de leur rˆole.

Bien que le Mod`ele Unifi´e (Fig. 9.2) d´ecrive fid`element nombre de propri´et´es observation- nelles des NAG, certaines classes y ´echappent. C’est notamment le cas des radio-galaxies de faible puissance qui ne pr´esentent ni raies d’´emission, ni exc`es en infrarouge, ni ´emissions en X li´es `a l’existence d’un disque d’accr´etion, alors que ces propri´et´es sont pr´edites par le Mod`ele Unifi´e.

Il a ´et´e d´emontr´e r´ecemment que l’activit´e du trou noir dans ces NAG radio de faible puissance r´esultaient d’un ph´enom`ene diff´erent et ind´ependant. Certains auteurs ont alors propos´e qu’il existe deux classes distinctes de NAG, dont l’´emergence est li´ee `a la temp´erature du gaz atteignant le trou noir central. Dans ce schema, l’accr´etion de gaz froid produit une accr´etion en disque, qui transforme efficacement l’´energie gravitationelle en ´energie thermique (on dit alors qu’il est radia- tivement efficace). Les propri´et´es p´erdites par le Mod`ele Unifi´e sont alors observ´ees. En revanche, l’accr´etion d’un gaz chaud produirait une accr´etion advective ou sph´erique, radiativement ineffi- cace, o`u la majeure partie de l’´energie gravitationelle serait tranform´ee en ´energie cin´etique dans les jets radio. Dans la suite, le mode d’accr´etion en disque, radiativement efficace et caracterisant le Mod`ele Unifi´e, est nomm´e “mode Quasar”, tandis que le mode d’accr´etion sph´erique, radiative-

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ment inefficace, est nomm´e “mode Radio”.

Comme nous l’avons expos´e pr´ec´edemment, les ingr´edients n´ecessaires pour cr´eer un NAG sont : un trou noir super massif, un r´eservoir de gaz pour l’alimenter, et un m´ecanisme permettant de faire chuter le gaz dans le trou noir. Si la temp´erature du gaz accr´et´e d´etermine les propri´et´es des NAG, on peut se demander ce qui d´etermine la temp´erature du gaz. Pour les NAG de forte luminosit´e, il semble que cette chute se produise lors des collisions et interactions entre galaxies (cf. Fig. 9.3). La collision de galaxie est alors le m´ecanisme d´eclencheur de l’activit´e du NAG.

Un sch´ema alternatif a ´et´e propos´e, dans lequel ce n’est pas le gaz du milieu inter-stellaire (intra- galactique) qui alimente le trou noir et d´eclenche son activit´e, mais le gaz chaud du milieu inter- galactique. On observe de tr`es grandes quantit´es de ce gaz chaud se refroidissant dans l’atmosph`ere de galaxies elliptiques massives (cf. Fig. 9.3). En refroidissant, ce gaz chute vers le fond du puits de potentiel gravitationnel g´en´er´e par la galaxie et alimente ´eventuellement le trou noir central, ce qui d´eclenche son activit´e.

Il a ainsi ´et´e propos´e que le type de m´ecanisme d´eclencheur pouvait ˆetre li´e au mode d’accr´etion (mode Quasar/Radio). Dans ce sch´ema, la collision/interaction entre galaxies charg´ees de gaz froid d´eclencherait l’accr´etion en disque du gaz froid (processus radiativement efficace). Quant au gaz chaud du milieu inter-galactique, il alimenterait le trou noir central lors de son refroidissement, d´eclenchant l’accr´etion sph´erique radiativement inefficace qui caract´erise le mode radio.

Cette th`ese

Le but de cette th`ese est de tester le sch´ema d´ecrit plus haut, dont les diff´erents m´ecanismes d´eclencheur de l’activit´e radio sont li´es au type d’accr´etion, donc aux propri´et´es des NAG et `a leur influence sur leur environnement. Les principales questions abord´ees lors de cette ´etude sont les suivantes : comment sont distribu´ees les diff´erentes classes de NAG, dans la structure `a grande

´echelle de l’univers ? Quels sont les m´ecanismes d´eclencheurs de l’activit´e des NAG ? Quels sont les connexions entre m´ecanisme d´eclencheur et mode d’accr´etion (mode Quasar/Radio) ? Com- ment ces relations ont ´evolu´e dans l’histoire de l’univers ?

Une mani`ere moderne d’aborder ces questions consiste `a ´etudier les propri´et´es statistiques d’un grand ´echantillon de NAG. Dans cette th`ese, nous s´electionnons deux ´echantillons de NAG dans le champ XMM-LSS (XMM est le nom du satellite et LSS est l’acronyme pour “Large Scale Struc- ture” ou “structure `a grande ´echelle” en franc¸ais), bas´es sur (i) la luminosit´e radio et (ii) la lumi- nosit´e X. L’id´ee sous-jacente est de s´electionner deux ´echantillons de NAG en mode d’accr´etion Radio et en mode d’accr´etion Quasar respectivement. En utilisant des mod`eles physiques, une s´erie d’estimateurs a ´et´e attach´ee `a chaque objet dans ces ´echantillons : masse stellaire, distance, taux de formation stellaire, exc`es en infrarouge et param`etre environnemental de surdensit´e. En

´etudiant les propri´et´es statistiques de ces estimateurs sur ces ensembles d’objets, il est possible de contraindre la nature de ces populations. Par exemple, les observations infrarouges nous informent sur la pr´esence de poussi`eres chaudes, et donc sur la nature du mode d’accr´etion. Voici le descriptif d´etaill´e du contenu de cette th`ese :

Dans leChapitre 2 un sondage `a basse fr´equence (domaine radio) du champ XMM-LSS a 74 et 325 MHz est pr´esent´e. Ces observations ont ´et´e conduites en utilisant l’interf´erom`etre radio Very Large Array (Fig. 9.4).

Pour augmenter la taille des ´echantillons de NAG, dans leChapitre 3, le champs XMM-LSS

Fig. 9.4: Les donn´ees utilis´ees dans le cadre de cette th`ese proviennent principalement des instruments suivants (de gauche `a droite, de haut en bas) : interf´erom`etre radio Very Large Array (Nouveau Mexique, USA), interf´erom`etre radio Giant Meterwave Radio Telescope (Pune, Inde), t´elescope spatial infrarouge Spitzer, t´elescope optique Canada France Hawaii Telescope, t´elescope spatial XMM-Newton.

est observ´e `a 240 et 610 MHz avec l’interf´erom`etre Giant Meterwave Radio Telescope (Fig. 9.4).

Dans le Chapitre 4, en utilisant les observations du satellite Spitzer et du t´elescope Canada- France Hawa¨ı Telescope (CFHT), on identifie les contreparties optiques et infrarouges des NAG d´etect´ees dans le domaine radio. En utilisant un mod`ele de synth`ese de population stellaire nous estimons les masses, distance, et taux de formation stellaire de∼ 3 million de galaxies normales, et de quelques centaines de NAG. Nous construisons une m´ethode de rejection des NAG pour lesquels ces estimations ne sont pas fiables.

Dans leChapitre 5, nous ´etudions les propri´et´es de l’´echantillon de NAG d´efini dans le Cha- pitre 4. Afin de quantifier l’environnement de ces sources, nous construisons un estimateur statis- tique de surdensit´e. Cette ´etude r´ev`ele une dichotomie a la fois interne et environnementale. Les NAG localis´es dans des galaxies massives ne pr´esentent pas d’exc`es en infrarouge, alors qu’ils sont situ´es dans des environnements denses. Les NAG de plus petite masses montrent un exc`es in- frarouge, et sont situ´es dans des environnements sous-denses. Nos donn´ees sont consistantes avec l’id´ee que le mode quasar est d´eclench´e par les interactions de galaxies, alors que le mode radio est d´eclench´e par le refroidissement du gaz inter-galactique chaud.

Dans leChapitre 6, un ´echantillons de NAG s´electionn´e en bande X durs en suivant la d´emarche d´ecrite dans les chapitres 4&5. Contrairement aux NAG s´electionn´es en utilisant un crit`ere dans le domaine radio, cette population est tr`es homog`ene : elle pr´esente des exc`es importants en infra- rouge `a travers toute la gamme de masse stellaire, et r´eside dans des environnements sous-denses.

De la pr´esence d’exc`es infrarouge, nous d´eduisons que cette population de NAG accr`ete dans son

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mode Quasar, et de sa pr´ef´erence des milieux sous-denses, nous d´eduisons que les collisions de galaxies jouent un rˆole dans le d´eclenchement de l’activit´e de ces NAG.

Dans le Chapitre 7, les r´esultats importants de cette ´etude sont pr´esent´es, et nous discutons leurs implications possibles. Nos r´esultats indiquent l’existence de deux types de NAG, r´esidants dans des environnements diff´erents. La relation entre environnement et type de NAG sugg`ere un lien entre m´ecanisme de d´eclenchement et mode d’accr´etion. Les caract´eristiques des ´echantillons de NAG pr´esent´es dans cette these sont consistant avec le sch´ema sugg´er´e par plusieurs au- teurs, dans lequel la collision de galaxies apporte du gaz froid au trou noir central et d´eclenche une accr´etion en disque, radiativement efficace, alors que l’accr´etion du gaz chaud du milieu inter-galactique produit une accr´etion sph´erique radiativement inefficace. Ces r´esultats mettent en lumi`ere la nature possible de la relation entre formation de la structure `a grande ´echelle, et

´evolution des NAG.