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Thèse Année : 2022

Physical properties of brightest cluster galaxies and their evolution with redshift

Étude des propriétés physiques des galaxies plus brillantes d’amas et de leur évolution dans le temps

Aline Chu

Résumé

Galaxy clusters are the largest gravitationally bound structures of the Universe. At the center of these clusters generally reside the most massive galaxies observable today. These galaxies are refered to as Brightest Cluster Galaxies (BCGs), and are the final products of 10 Gyrs of consecutive galactic mergers in the densest regions of the cosmic web. In this thesis, we focus our attention on these very peculiar objects, excellent tracers of cluster formation, and ideal to study the impact of environmental processes on galactic formation. The characterization of the physical properties of BCGs is important to obtain better knowledge of these galaxies. Previous studies have found contradicting results concerning their growth: while some studies find that they are still evolving today, others find that they may have stopped growing a long time ago. In order to put things in perspective, I present here new catalogues of BCGs which have allowed me to conduct a deeper analysis of the formation of BCGs, thanks to the bigger statistics we reached. My work on the characterization of the physical properties of BCGs has shown a lack of evolution of their sizes and luminosities in the last 10 Gyrs, hinting at an earlier formation epoch and absence of recent significant growth. However, their structures may have changed over time, as hinted by the observation of a second component at recent epoch. This may only be due to observational biases, but deeper surveys such as the ones expected from the Euclid or the Rubin Observatory's Legacy Survey of Space and Time (LSST) missions should enable us to confirm this. BCGs, because of their central locations, are more likely to undergo mergers in their lifetimes, which leave marks on their shapes. As a result, we confirm the special bond between BCGs and their host clusters as inferred from their alignments. I also offer new tools for automatic detections of BCGs on optical images. These may be applied to large surveys with the use of already existing or future catalogues of clusters. In this manuscript, I also tackle the subject of fossil groups (FGs). We increase the number of known FGs and are carrying on observations in order to confirm the fossil nature of candidate FGs. We find that Brightest Group Galaxies (BGGs) of FGs show an evolution which may be more similar to that of BCGs of clusters than that of BGGs of non-FGs, as inferred from the Kormendy relation. However, the stellar evolution of FGs and non-FGs may still be comparable. Zooming in the central regions of BCGs, we look at the supermassive black holes (SMBHs) harbored at the center of clusters. From the Illustris TNG-300 cosmological simulation and using orbital integration methods, we show that radial mergers of galaxies can kick away the black hole from its central position to distances of a few parsecs to hundreds of kiloparsecs. I discuss the consequences of such an offset on the growth of SMBHs and the impact on the dynamics reigning in the central regions of BCGs and clusters. The observations and modeling of these large samples of BCGs and BGGs have given us insight on the formation and evolution of clusters and groups at various scales, from that of a large cluster down to the central supermassive black hole. Future instruments and surveys such as Euclid or LSST will provide us with samples of tens of thousands of clusters, and the tools developed here should be useful to analyse such large samples, to derive with a better precision the epoch of formation of clusters and groups.
Les amas de galaxies sont les structures gravitationnellement liées les plus grandes de l’Univers. En général, au centre de ces amas, résident les galaxies les plus massives observées aujourd’hui, appelées les galaxies les plus brillantes d’amas (BCG, Brightest Cluster Galaxy). Elles sont le produit de 10 milliards d’années de fusions successives de galaxies dans les régions les plus denses de la toile cosmique. Dans cette thèse, nous nous focalisons sur ces objets très spéciaux, excellents traceurs de la formation de leur amas, et cibles idéales pour étudier l’impact que l’environnement peut avoir sur la formation des galaxies. La caractérisation de ces galaxies est importante pour mieux comprendre ces objets. Plusieurs auteurs trouvent des résultats contradictoires concernant leur évolution: certaines études trouvent que les BCGs évoluent encore aujourd’hui, d’autres pensent qu’elles auraient arrêté d’évoluer il y a bien longtemps. Afin de choisir entre ces deux hypothèses, je présente ici de nouveaux catalogues de BCGs dont le grand nombre d’objets permettra d’effectuer des analyses encore plus profondes sur la formation des BCGs. Mon travail sur la caractérisation des propriétés physiques des BCGs montre une absence d’évolution de leur taille et de leur luminosité depuis 10 milliards d’années, ce qui suggère une époque de formation qui aurait eu lieu tôt dans l’histoire de l’Univers. Cependant, leur structure aurait pu changer au cours du temps, ce que suggère l’observation d’une deuxième composante dans les galaxies les plus proches de nous. Des relevés d’images plus profonds comme ceux prévus avec les futures missions Euclid et Legacy Survey of Space and Time (LSST) devraient nous permettre de vérifier et confirmer s’il s’agit en effet d’une évolution ou d’un biais observationnel. Les BCGs, grâce à leur localisation centrale, sont plus enclines à subir des fusions durant leur vie, qui les alignent avec leur amas, montrant un lien très particulier entre les deux structures. Je décris également de nouveaux codes pour la détection automatique des BCGs sur des images optiques, qui peuvent être appliqués sur de grands relevés à partir de catalogues de galaxies. Dans ce manuscrit, j’aborde aussi le sujet des groupes fossiles (GFs). Nous augmentons le nombre de GFs connus et avons fait des demandes d’observations afin de confirmer la nature «fossile» de candidats GFs. Nous montrons que les galaxies les plus brillantes (Brightest Group Galaxy, BGG) des GFs ont des évolutions qui semblent plus similaires à l’évolution des BCGs d’amas plutôt qu’à l’évolution des BGGs de non-GFs, comme indiqué par la relation de Kormendy des GFs qui se superpose à celle des BCGs d’amas. Les populations stellaires des BGGs de GFs, cependant, ne diffèrent pas beaucoup de celles des BGGs de non GFs. En zoomant dans la région centrale des BCGs, je m’intéresse aussi au trou noir supermassif (TNSM) qui vit au centre des amas. Grâce aux informations données dans la simulation cosmologique Illustris TNG-300, et avec des méthodes d’intégration d’orbites, nous montrons que des fusions radiales de galaxies peuvent éjecter le trou noir de sa position centrale à des distances allant jusqu’à des centaines de kiloparsecs. Nous discutons des conséquences d’un tel décentrage sur le grossissement des TNSMs et de l’impact que cela peut avoir sur la dynamique qui règne dans les régions centrales des BCGs et des amas. L'observation et la modélisation de tels échantillons de BCGs et BGGs nous donnent un aperçu de la formation et de l'évolution des amas et des groupes à différentes échelles, depuis les amas de galaxies jusqu’au TNSM. De futurs instruments tels que Euclid et LSST vont nous faire découvrir des dizaines de milliers d'amas, et les outils développés et décrits dans ce manuscrit devraient nous aider à analyser ces grands échantillons, afin de mieux déterminer l'époque de formation des amas et des groupes de galaxies.
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Origine : Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-04121593 , version 1 (08-06-2023)

Identifiants

  • HAL Id : tel-04121593 , version 1

Citer

Aline Chu. Physical properties of brightest cluster galaxies and their evolution with redshift. Astrophysics [astro-ph]. Sorbonne Université, 2022. English. ⟨NNT : 2022SORUS470⟩. ⟨tel-04121593⟩
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