Thèse Comprendre l'Origine de la Remarquable Efficacité de Formation des Galaxies Lointaines H/F - Université Paris-Saclay GS Physique

Établissement : Université Paris-Saclay GS Physique
École doctorale : Astronomie et Astrophysique d'Ile de France
Laboratoire de recherche : Astrophysique Instrumentation Modélisation
Direction de la thèse : David ELBAZ ORCID 000000027631647X
Début de la thèse : 2026-10-01
Date limite de candidature : 2026-03-31T23:59:59

Le télescope spatial James Webb révolutionne notre compréhension de l'univers lointain. Un résultat s'impose qui questionne nos modèles : la très grande efficacité de formation d'étoiles des galaxies lointaines. Mais ce constat est dérivé de manière indirecte : on mesure la masse d'étoiles dans les galaxies, pas leur taux de formation d'étoiles. C'est la principale faiblesse du James Webb. Le but de cette thèse est de remédier à cette faiblesse du James Webb en utilisant sa capacité de résolution angulaire, qui n'a jusqu'ici pas été prise en compte afin d'obtenir une mesure plus robuste du SFR des galaxies distantes. On en déduira une loi qui permettra d'améliorer la robustesse de la détermination du SFR grâce aux propriétés morphologiques et en combinant les données du James Webb avec celles d'ALMA (z=1-3). Puis on l'appliquera à l'univers lointain (z=3-6, 2e partie) et on l'utilisera comme benchmark pour les simulations numériques (3e partie).

Le but de cette thèse est de remédier à cette faiblesse du James Webb en utilisant sa capacité de résolution angulaire, qui n'a jusqu'ici pas été prise en compte afin d'obtenir une mesure plus robuste du SFR des galaxies distantes. La conversion des données photométriques en valeur du SFR dépend de la géométrie des galaxies : plus les galaxies sont compactes plus l'atténuation par la poussière est forte et plus elles forment leurs étoiles à un rythme accéléré. Cette information peut être améliorée à un niveau supérieur en utilisant les gradients de couleur à l'intérieur des galaxies. Les questions auxquelles on cherchera à répondre sont les suivantes :
Le taux de formation d'étoiles des galaxies dépend-il de la morphologie des galaxies ?
Comment varie-t-il avec celle-ci, avec leur compacité ?
Quelle est la cause de l'accélération de la formation d'étoiles dans les galaxies : fusions galactiques, perturbation de la morphologie par l'environnement, processus internes aux galaxies ?
Quelles recettes doivent être révisées puis introduites dans les modèles et les simulations pour un meilleur accord avec les observations ?
Et enfin, comment le taux de formation d'étoiles des galaxies varie avec la présence d'un noyau actif, dans les galaxies lointaines ? Cette question plus difficile à aborder est néanmoins fondamentale car la présence de trous noirs supermassifs très tôt dans l'histoire de l'univers suggère que contrairement à ce qui a été largement considéré, les trous noirs pourraient être des accélérateurs de formation d'étoiles, et non des inhibiteurs.

Pour réaliser ces objectifs, les données du JWST seront combinées avec les données du radiotélescope ALMA pour les galaxies accessibles à ALMA qui permettront de calibrer la méthode en offrant un accès direct à la luminosité en infrarouge lointain des galaxies et/ou à la masse de poussière, donc aussi de gaz, interstellaire.
Le domaine de redshift privilégié pour calibrer la méthode est z=1-3, le domaine dans lequel elle sera utilisée pour aborder les questions scientifiques de la thèse est z=3-6.

Description :

La première partie de la thèse consistera à :
-définir un échantillon de galaxies accessibles à la fois à ALMA et au JWST
-mesurer les propriétés de ces galaxies en combinant ces données : SFR, masse stellaire, redshift, masse de poussière, masse d'étoiles, morphologie (profil de Sersic, rayon effectif, densité projetée de masse stellaire, d'atténuation, gradients de couleur)
-examiner les corrélations entre le taux de formation d'étoiles spécifique (sSFR=SFR/M*) et quand elle est disponible l'efficacité de formation d'étoiles (SFE=SFR/Mgaz), et les propriétés morphologiques.
-En déduire une loi qui permettra d'améliorer la robustesse de la détermination du SFR grâce aux propriétés morphologiques de sorte à pouvoir l'étendre aux galaxies non détectées par ALMA
-Rédiger un article sur cette première partie.

Dans une seconde partie :
-Utiliser le résultat de l'analyse de cette première partie pour l'étendre à un échantillon complet en masse des galaxies observées avec le JWST dans des intervalles de redshift de sorte à mesurer l'évolution de l'efficacité de formation d'étoiles avec la masse et l'époque cosmique.
-Cette seconde partie conduira à un deuxième article.

Dans une troisième partie :
-On utilisera ces résultats liés aux observations pour en dériver une histoire de la formation d'étoiles cosmique représentée dans un espace des paramètres - défini en fonction des propriétés dérivées de la première partie - qui servira de benchmark pour les simulations numériques.
-Cette troisième partie se fera en collaboration avec Joe Lewis, récemment embauché au CEA et spécialiste des simulations de formation des galaxies. Les échanges avec lui pourront débuter avant cette troisième partie.

Connaissances de base sur la formation-évolution des galaxies, connaissances en programmation Python (ou IDL), analyse du signal,
connaissances en IA bienvenues.