L'IMPACT DES ÉTOILES MASSIVES SUR LE MILIEU INTERSTELLAIRE ET SUR L'ÉVOLUTION CHIMIQUE DES GALAXIES Á SURSAUT - TEL - Thèses en ligne Access content directly
Theses Year : 1998

L'IMPACT DES ÉTOILES MASSIVES SUR LE MILIEU INTERSTELLAIRE ET SUR L'ÉVOLUTION CHIMIQUE DES GALAXIES Á SURSAUT

François Legrand
  • Function : Author
  • PersonId : 958774

Abstract

In this work, we investigate the impact of the massive stars on the dynamics of the interstellar medium and on the chemical evolution of star-forming dwarf galaxies. Two different points have been studied: the incidence of the starburst on the dynamics of the ISM, using the Lyalpha emission, and the influence of the burst on the chemical enrichment of the interstellar gas. During a starburst event, the massive stars ionize the gas, giving rise to the emission of Lyalpha and Halpha photons. The theoretical ratio of these lines can be computed. However, the first observations have revealed more weaker the Lyalpha emission lines than expected from Halpha measurements. Earlier interpretations were invoking the effect of the dust, reinforced by multiple scattering in the neutral gas, as responsible of the destruction of Lyalpha photons. Comparing Lyalpha and Halpha profiles, we have confirmed that the dynamics of the gas, controled by the mechanical energy released by the masssive stars, is also a factor of major importance for the emergence of the Lyalpha line. Particularly, we have shown that if the effect of the dynamics of the ISM is neglected, the weakness of the Lyalpha line can be wrongly attributed to a high interstellar extinction, whereas if taking into account it indicates that the Lyalpha photons escape preferentially from the low extinction regions. The massive stars formed in a starburst also eject metals which can contribute to the enrichment of the ISM. In order to constrain the spatial distribution and timescale of this enrichment, we obtained deep (14 hours exposure) long slit spectroscopy of the most metal poor local galaxy, IZw 18. These observations revealed very homogeneous abundances, at scales larger than 600 pc. This suggests that the metals ejected by the massive stars in the current burst are still not visible, but remains hidden in a hot phase, emeting in X-rays but not in the optical range. Using a spectrophotometric model coupled to an chemical evolution model for galaxies, we have investigated different star formation history for IZw 18, including a possible blow-out of the metals ejected by the massive and eventually intermediate stars. If the abundances measured in IZw 18 results from starbursts events, no more than 60-70 % of the metals produced by all the stars must be ejected. We have also shown that a continuous low star formation rate must occur between the bursts and that this regime of star formation cannot be neglected when dealing with very low metallicity objects. Particularly, the abundances measured in IZw 18 can be perfectly reproduced by a continuous low star formation rate after 14 Gyrs. The current burst should then be one of the first in the history of this galaxy, but a mild process of star formation already started a long time ago. We have also shown that the low surface brightness galaxies can be the quiescent counterparts of starbursts galaxies and that the increase of the metallicity of the lowest abundant damped lyman alpha systems with decreasing redshift can be interpreted as a result of a continuous low star formation rate increasing slowly the metallicity of the interstellar gas.
Durant ce travail, nous nous sommes intéressé à l'impact, dans les galaxies naines, qu'ont les étoiles massives formées lors d'un sursaut de formation stellaire. Deux aspects de ce problème, différents mais complémentaires, ont été abordés: d'une part, l'incidence du sursaut sur la dynamique du milieu interstellaire, à travers l'émission de la raie Lyalpha, et d'autre part l'influence de ces sursauts sur l'évolution chimique de ces objets. En effet, lors d'un épisode violent de formation stellaire, les étoiles massives ionisent fortement le gaz environnant, donnant normalement lieu à des émissions de photons Lyalpha et Halpha dont le rapport des quantités peut être évalué de façon théorique. Toutefois, les premières observations de l'émission Lyalpha dans des galaxies à sursaut ont révélé un apparent déficit de ces photons par rapport à l'émission Halpha observée. Attribué initialement à l'effet conjugué de la diffusion résonante dans le gaz neutre et de la destruction des photons Lyalpha par les poussières, nous avons pu confirmer, en nous basant sur la comparaison des profils des ces deux raies, observées au sol et dans l'espace avec le télescope spatial, que la dynamique du gaz, contrôlée par l'énergie mécanique libérée par les étoiles massives, était également un facteur déterminant pour l'émergence de la raie Lyalpha. Tout particulièrement, nous avons pu montrer que si l'on négligeait l'effet de la dynamique de la matière interstellaire, l'apparent déficit en photons Lyalpha pouvait être expliqué en invoquant, vraisemblablement à tort, une loi et un coefficient d'extinction élevés, mais qu'en revanche, la prise en compte des effets dynamiques, indique que les photons Lyalpha émergent principalement de régions de faible extinction. D'autre part, les étoiles massives, formées lors d'un sursaut, rejettent dans le milieu interstellaire les métaux qu'elles ont synthétisées, contribuant ainsi à son enrichissement. Afin d'étudier les échelles spatiales et temporelles de cet enrichissement, nous avons obtenu un spectre à longue fente de la galaxie naine IZw 18, objet présentant la particularité d'être le plus sous-abondant de l'univers local. Ces observations profondes (14 heures de pose !) ont révélé une abondance en oxygène extrêmement homogène à une échelle de plus de 600 pc, suggérant, en accord avec les résultats concernant d'autres galaxies à sursaut, que l'enrichissement dû aux étoiles massives actuelles n'était pas encore visible. L'hypothèse la plus probable semble que les métaux éjectés par les étoiles massives, sous forme de vents stellaires et éjectas de supernovae, demeurent, dans les premiers temps du sursaut, dans une phase chaude et peu dense, rayonnant dans le domaine X (mais pas en optique), et ne se mélangent pas immédiatement au milieu interstellaire environnant. En nous aidant d'un modèle d'évolution spectrophotométrique couplé à l'évolution chimique des galaxies, nous avons étudié différents scénarios d'histoire de formation d'étoiles dans IZw 18. La possibilité d'une éjection hors de la galaxie des métaux rejetés par les étoiles massives, voire par les étoiles de masses intermédiaires, a été étudiée. Si les abondances en carbone et oxygène observées dans IZw 18 résultent uniquement d'un enrichissement par des sursauts de formation d'étoiles, au plus 60 à 70 % des métaux produits par les étoiles de toute masses doivent être ainsi perdus. Nous avons également montré qu'une formation stellaire continue, mais de très faible intensité, durant les périodes inter-sursaut devait être prise en compte, et que ce mode de formation d'étoiles ne pouvait être négligé lorsque l'on s'intéresse aux objets de très faible métallicité. En particulier, les abondances mesurées dans IZw 18 pourraient ne provenir que de ce type de formation stellaire si celle-ci s'est maintenue pendant un temps de Hubble. Le sursaut actuel serait alors le premier, mais une formation d'étoiles faible et lente aurait commencée il y a plusieurs milliards d'années. Nous avons également montré que les galaxies à faible brillance de surface pouvaient être les contreparties en phase "calme" des galaxies à sursaut et que la possible augmentation de la métallicité minimale des systèmes absorbants Lyman alpha quand le décalage spectral diminue pouvait être le résultat d'une formation stellaire continue, mais très faible, qui contribuerait à augmenter régulièrement le contenu en métaux de la matière interstellaire.
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Cite

François Legrand. L'IMPACT DES ÉTOILES MASSIVES SUR LE MILIEU INTERSTELLAIRE ET SUR L'ÉVOLUTION CHIMIQUE DES GALAXIES Á SURSAUT. Cosmologie et astrophysique extra-galactique [astro-ph.CO]. Université Pierre et Marie Curie - Paris VI, 1998. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-01044435⟩
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