Du gaz et de la poussière dans les quasars à grand décalage spectral

Cette thèse est consacrée à l’étude de la poussière et du gaz dans les quasars à grand décalage spectral. Les observations submillimétrique, millimétrique et radio présentées dans ce travail permettent de sonder les conditions physiques de la formation stellaire au moment où les premières structures se forment.

La première partie de cette thèse présente les résultats de relevés dans le continuum infrarouge lointain et radio de quasars optiquement lumineux et radio faibles à des décalages spectraux de 1.9 < z < 6.4. Ces relevés indiquent la présence de masses importantes (M dust ∼ 10 8 M ⊙ ) de poussière à une température moyenne de T dust ∼ 50 K, y compris pour les sources détectées à z > 6, correspondant à la fin de la réionisation. La relation entre l’émission infrarouge et radio des galaxies locales est vérifiée pour les quasars à grand z, indiquant que le chauffage dominant provient des étoiles massives nouvellement formées. Ces études ont également permis la mise en évidence d’une relation entre l’activité du trou noir supermassif et celle de formation stellaire dans les galaxies hôtes des quasars à grand décalage spectral. Les taux de formation stellaire très élevés (∼ 1000 M ⊙ /yr) indiquent une intense activité de flambée d’étoiles dans ces systèmes qui, pour être soutenue, nécessite un réservoir important de gaz moléculaire.

La seconde partie est consacrée à l’étude du gaz moléculaire dans ces systèmes lointains, détectés via les transitions rotationnelles de la molécule CO. Les résultats concernant le quasar J1409+5628 à z = 2.56 sont décrits en détails, ainsi que ceux d’une étude globale de l’ensemble des sources à grand décalage spectral détectées en CO. Les masses de gaz moléculaire détectées sont estimées en moyenne à M H 2 ∼ 10 9−10 M ⊙ . Dans quelques cas, la détection de plusieurs transitions de CO permet de contraindre les conditions physiques du gaz moléculaire ; avec des températures de 60− 100 K, et des densités de 10 3 − 10 4 cm −3 , ces conditions sont comparables à celles des galaxies à flambées d’étoiles locales telles M82 ou Arp220. Enfin, la détection de carbone
neutre et de cyanure d’hydrogène, qui tracent le gaz atomique et le gaz dense (n(H 2 ) > 10 4 cm −3 ), est rapporté pour deux quasars à grand décalage spectral.

Ces recherches ont permis de mieux contraindre les conditions physiques dans les galaxies hôtes des quasars à grand décalage spectral, qui sont parmi les objets les plus massifs formés dans l’Univers. Ces programmes exploratoires, qui ouvrent la voie à l’étude du milieu interstellaire dans l’environnement extrême des premières galaxies à flambées d’étoiles, connaı̂tront leur plein essor avec la mise en opération des nouvelles générations d’observatoires, tels que le satellite Herschel et les interféromètres eVLA et ALMA.