Résumé en français 161 Résuméenfrançais Les noyaux actifs de galaxies (NAG) sont des objets fascinants (cf. la figure 9.1). La principale théorie les décrivant, le Modèle Unifié, établit que les propriétés que l on observe au sein des NAG sont la conséquence de la chute de matière dans un trou noir dont la masse peut atteindre plusieurs milliards de masses solaires. En tombant dans le trou noir, la matière forme un disque, et libère de gigantesques quantité d énergie suivant un processus que l on nomme accrétion (on parle alors du disque d accrétion). Ce processus de transformation d énergie est le plus efficace que l on connaisse : il correspond à la transformation d énergie gravitationelle en énergie thermique, avec une efficacité de l ordre d une dizaine de pour cent (contre 1% pour la fusion thermonucléaire). Dans cette théorie, le trou noir est entouré d un tore de poussière et de nuages de gaz orbitants autour et à l intérieur du système tore/trou noir. Le disque d accrétion dégage un rayonnement intense dans les domaines ultraviolet et X. Ce rayonnement provoque notamment le chauffage du tore de poussière (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 poussière, en émettant des ondes radio. Fig. 9.1: La galaxie NGC 7742 est de type Seyfert 1. Elle montre des signes d activité dansses régions centrales. Dans l image communément acceptée, cette immense quantité d énergie est produite par la chute de matière dans un trou noir supermassif situé en son centre. Fig. 9.2: Vue d artiste d un NAG tel que décrit par le Modèle Unifié (elle correspond aux régions centrales de la galaxie de la figure 9.1). Le trou noir super massif est entouréd untorede poussière. Le rayonnement ionisant, ainsi que les éventuels jets radio, se propagent dans la direction orthogonale au plan du tore. Bien que le trou noir ait une masse négligeable àcôté de celle de sa galaxie hôte, son rôle quant à la formation des structures dans l Univers, pourrait-être determinant. En effet, l immense quantité d énergie dégagée lors d une courte période d activité d un de ces monstrueux trous noirs peut
162 Galaxies hôtes et environnements des NAG Fig. 9.3: (Agauche) Dans l univers local, les NAG sont associés à des collisions de galaxies. On pense que l interaction entre galaxies peut causer la chute de gaz froid vers les régions centrales de la galaxie où réside le trou noir et déclencher l activité du NAG dans son mode Quasar (voir texte). (A droite) De grandes quantités de gaz chaud du milieu inter-galactique sont observées dans l atmosphère des galaxies elliptiques massives (le gaz à gauche, les étoiles à droite). Certains auteurs proposent que ce gaz chaud, en refroidissant, est à même d atteindre les régions centrales de la galaxie. Ce mécanisme peut constituer un moyen alternatif afin de déclencher l activité des NAG dans leur mode Radio. égaler l énergie de liaison d un amas de galaxie, qui contient plusieurs milliers de galaxies, chacune contenant plusieurs centaines de milliards d étoiles. Ainsi, il est de plus en plus couramment accepté que pour conter la grande histoire de l univers et décrire son état actuel, il est nécessaire de parler de l existence des NAG, et de leur rôle. Bien que le Modèle Unifié (Fig. 9.2) décrive fidèlement nombre de propriétés observationnelles des NAG,certaines classes yéchappent. C est notamment le cas des radio-galaxies de faible puissance qui ne présentent ni raies d émission, ni excès en infrarouge, ni émissions en X liés à l existence d un disque d accrétion, alors que ces propriétés sont prédites par le Modèle Unifié. Il a été démontré récemment que l activité du trou noir dans ces NAG radio de faible puissance résultaient d un phénomène différent et indépendant. Certains auteurs ont alors proposé qu il existe deux classes distinctes de NAG, dont l émergence est liée àlatempérature du gaz atteignant le trou noir central. Dans ce schema, l accrétion de gaz froid produit une accrétion en disque, qui transforme efficacementl énergie gravitationelle en énergie thermique (on dit alors qu il est radiativement efficace). Les propriétés pérdites par le Modèle Unifié sont alors observées. En revanche, l accrétion d un gaz chaud produirait une accrétion advective ou sphérique, radiativement inefficace, où la majeure partie de l énergie gravitationelle serait tranformée en énergie cinétique dans les jets radio. Dans la suite, le mode d accrétion en disque, radiativement efficace et caracterisant le Modèle Unifié, est nommé mode Quasar, tandis que le mode d accrétion sphérique, radiative-
Résumé en français 163 ment inefficace, est nommé mode Radio. Comme nous l avons exposé précédemment, les ingrédients nécessaires pour créer un NAG sont : un trou noir super massif, un réservoir de gaz pour l alimenter, et un mécanisme permettant de faire chuter le gaz dans le trou noir. Si la température du gaz accrété détermine les propriétés des NAG, on peut se demander ce qui détermine la température du gaz. Pour les NAG de forte luminosité, 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 mécanisme déclencheur de l activité du NAG. Un schéma alternatif a été proposé, dans lequel ce n est pas le gaz du milieu inter-stellaire (intragalactique) qui alimente le trou noir et déclenche son activité, mais le gaz chaud du milieu intergalactique. On observe de très grandes quantités de ce gaz chaud se refroidissant dans l atmosphère de galaxies elliptiques massives (cf. Fig. 9.3). En refroidissant, ce gaz chute vers le fond du puits de potentiel gravitationnel généré par la galaxie et alimente éventuellement le trou noir central, ce qui déclenche son activité. Il a ainsi été proposé que le type de mécanisme déclencheur pouvait être lié au mode d accrétion (mode Quasar/Radio). Dans ce schéma, la collision/interaction entre galaxies chargées de gaz froid déclencherait l accrétion 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, déclenchant l accrétion sphérique radiativement inefficace qui caractérise le mode radio. Cette thèse Le but de cette thèse est de tester le schéma décrit plus haut, dont les différents mécanismes déclencheur de l activité radio sont liés au type d accrétion, donc aux propriétés des NAG età leur influence sur leur environnement. Les principales questions abordées lors de cette étude sont les suivantes : comment sont distribuées les différentes classes de NAG, dans la structure à grande échelle de l univers? Quels sont les mécanismes déclencheurs de l activité des NAG? Quels sont les connexions entre mécanisme déclencheur et mode d accrétion (mode Quasar/Radio)? Comment ces relations ont évolué dans l histoire de l univers? Une manière moderne d aborder ces questions consiste à étudier les propriétés statistiques d un grand échantillon de NAG. Dans cette thèse, nous sélectionnons deux échantillons de NAG dans le champ XMM-LSS (XMM est le nom du satellite et LSS est l acronyme pour Large Scale Structure ou structure à grande échelle en français), basés sur (i) la luminosité radio et (ii) la luminosité X.L idée sous-jacente est de sélectionner deux échantillons de NAG en mode d accrétion Radio et en mode d accrétion Quasar respectivement. En utilisant des modèles physiques, une série d estimateurs a été attachée à chaque objet dans ces échantillons : masse stellaire, distance, taux de formation stellaire, excès en infrarouge et paramètre environnemental de surdensité. En étudiant les propriétés 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 présence de poussières chaudes, et donc sur la nature du mode d accrétion. Voici le descriptif détaillé du contenu de cette thèse : Dans le Chapitre 2 un sondage à basse fréquence (domaine radio) du champ XMM-LSS a 74 et 325 MHz est présenté. Ces observations ont été conduites en utilisant l interféromètre radio Very Large Array (Fig. 9.4). Pour augmenter la taille des échantillons de NAG, dans le Chapitre 3, le champs XMM-LSS
164 Galaxies hôtes et environnements des NAG Fig. 9.4: Les données utilisées dans le cadre de cette thèse proviennent principalement des instruments suivants (de gauche à droite, de haut en bas) : interféromètre radio Very Large Array (Nouveau Mexique, USA), interféromètre radio Giant Meterwave Radio Telescope (Pune, Inde), télescope spatial infrarouge Spitzer, télescope optique Canada France Hawaii Telescope, télescope spatial XMM-Newton. est observé à 240 et 610 MHz avec l interféromètre Giant Meterwave Radio Telescope (Fig. 9.4). Dans le Chapitre 4, en utilisant les observations du satellite Spitzer et du télescope Canada- France Hawaï Telescope (CFHT), on identifie les contreparties optiques et infrarouges des NAG détectées dans le domaine radio. En utilisant un modèle de synthèse 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 méthode de rejection des NAG pour lesquels ces estimations ne sont pas fiables. Dans le Chapitre 5, nous étudions les propriétés de l échantillon de NAG défini dans le Chapitre 4. Afin de quantifier l environnement de ces sources, nous construisons un estimateur statistique de surdensité. Cette étude révèle une dichotomie a la fois interne et environnementale. Les NAG localisés dans des galaxies massives ne présentent pas d excès en infrarouge, alors qu ils sont situés dans des environnements denses. Les NAG de plus petite masses montrent un excès infrarouge, et sont situés dans des environnements sous-denses. Nos données sont consistantes avec l idée que le mode quasar est déclenché par les interactions de galaxies, alors que le mode radio est déclenché par le refroidissement du gaz inter-galactique chaud. Dans le Chapitre 6,un échantillons de NAG sélectionné en bande X durs en suivant la démarche décrite dans les chapitres 4&5. Contrairement aux NAG sélectionnés en utilisant un critère dans le domaine radio, cette population est très homogène : elle présente des excès importants en infrarouge à travers toute la gamme de masse stellaire, et réside dans des environnements sous-denses. De la présence d excès infrarouge, nous déduisons que cette population de NAG accrète dans son
Résumé en français 165 mode Quasar, et de sa préférence des milieux sous-denses, nous déduisons que les collisions de galaxies jouent un rôledansledéclenchement de l activité de ces NAG. Dans le Chapitre 7, les résultats importants de cette étude sont présentés, et nous discutons leurs implications possibles. Nos résultats indiquent l existence de deux types de NAG, résidants dans des environnements différents. La relation entre environnement et type de NAG suggère un lien entre mécanisme de déclenchement et mode d accrétion. Les caractéristiques des échantillons de NAG présentés dans cette these sont consistant avec le schéma suggéré par plusieurs auteurs, dans lequel la collision de galaxies apporte du gaz froid au trou noir central et déclenche une accrétion en disque, radiativement efficace, alors que l accrétion du gaz chaud du milieu inter-galactique produit une accrétion sphérique radiativement inefficace. Ces résultats mettent en lumière la nature possible de la relation entre formation de la structure à grande échelle, et évolution des NAG.