Observations multi-longueur d’onde d’amas et de groupes de galaxies proches

Abstract

Les amas et les groupes de galaxies sont des environnements dynamiques constamment perturbés. D’une part, le trou noir supermassif de la galaxie centrale peut produire de puis- sants jets relativistes compensant les pertes radiatives du milieu intra-amas ou intra-groupe. C’est le mécanisme de rétroaction des noyaux actifs de galaxies. D’autre part, l’interaction de l’amas ou du groupe de galaxies avec d’autres galaxies peut aussi créer d’importantes perturbations sous forme de chocs ou de fronts froids par exemple. En général, ces per- turbations, internes ou externes, peuvent laisser des empreintes dans les observations des groupes et des amas, et ce, dans tout le spectre électromagnétique. Dans cette thèse, l’étude observationnelle multi-longueur d’onde d’un groupe et d’un amas de galaxies proches est pré- sentée. L’ensemble de ces travaux auront permis de mieux comprendre certains des processus physiques complexes qui caractérisent ces environnements. D’abord, l’analyse d’observations profondes (380 ks) de l’observatoire de rayons X Chan- dra de la galaxie NGC 4472 (z = 0.0038), galaxie dominante d’un groupe de galaxies plon- geant dans l’amas de la Vierge, est présentée. Ces nouvelles données ont permis l’étude détaillée de la dynamique des lobes radio. Des coquilles de gaz froid entourant les lobes radio ont été détectées et semblent être constituées de gaz provenant du centre du groupe. Nous estimons l’énergie requise pour soulever ce gaz à partir du centre de NGC 4472 à ∼ 1056 erg. Nous avons également mené l’analyse de la distribution de l’abondance de différents éléments (O, Ne, Mg, Si et Fe) à partir du spectre rayons X. Ensuite, nous avons produit une carte à basse fréquence radio de l’amas de Persée (z = 0.018) obtenue à partir de nouvelles observations du Karl G. Jansky Very Large Array à 230- 470 MHz en configuration B. Les étapes de réduction des données et de calibration de même que le processus d’imagerie ont été spécifiquement adaptés à l’analyse de ces observations, tenant compte à la fois de la forte présence des interférences des fréquences radio à ces fréquences et de la présence du noyau actif de galaxie très brillant au centre de l’amas. Ces observations ont révélé une multitude de nouvelles structures associées à l’émission radio centrale diffuse dans l’amas, le mini-halo. Ces structures incluent plusieurs filaments radiaux s’étendant dans diverses directions, une structure concave corrélant avec la baie et plusieurs autres correspondances avec les structures rayons X telles que les fronts froids. Ces résultats montrent que les mini-halos ne sont donc pas de simples sources radio diffuses et uniformes, mais possèdent plutôt une riche variété de structures complexes. Un portrait complet de la dynamique des filaments de la nébuleuse de gaz ionisé entou- rant la galaxie NGC 1275, galaxie dominante de l’amas de Persée, a également été révélée grâce aux observations de SITELLE («Spectromètre Imageur à Transformée de Fourier pour l’Étude en Long et en Large des raies d’Émission»), un nouveau spectro-imageur à transfor- mée de Fourier au télescope Canada-France-Hawaii. Grâce à son champ de vue de 11′ × 11′, il s’agit du seul instrument de ce type capable de couvrir la nébuleuse de 80kpc × 55kpc (3.8′ × 2.6′ à la distance de NGC 1275) de large dans son entièreté. Notre analyse de ces observations montre un gradient radial du ratio des raies [N II]λ6583/Hα, suggérant un changement dans la source et le mécanisme d’ionisation à travers la nébuleuse. Nous avons produit pour la première fois une carte de vitesse complète et détaillée des filaments. Cette carte révèle une structure dynamique complexe inconnue jusqu’à ce jour. Celle-ci ne montre pas de tendance radiale générale ni de signe de rotation globale, indiquant que les filaments ne sont pas en train de tomber uniformément vers la galaxie ni d’être uniformément entraînés vers l’extérieur. Une comparaison entre ces mesures et les résultats de Hitomi obtenus pour l’amas de Persée est également présentée. Enfin, nous avons créé une image haute résolution à 230-470 MHz de l’amas de Persée grâce aux nouvelles observations en configuration A du Karl G. Jansky Very Large Array. La gamme dynamique élevée et la haute résolution de cette image ont permis l’identification de nouvelles structures. Dû à la haute résolution, la majorité de l’émission étendue du mini- halo occupant le centre de l’amas disparait dans ces observations et seules les parties les plus brillantes vers l’ouest demeurent visibles. L’émission radio centrale remplit les cavités internes visibles en rayons X et s’étend vers les cavités externes. Les cavités externes étant visibles à plus basses fréquences radio, nous détectons donc une partie courbe dans le spectre à environ 350 MHz. Au-delà de l’émission centrale entourant NGC 1275, nous décrivons et analysons également la morphologie de plusieurs sources radio complexes situées dans l’amas de Persée : IC 310, NGC 1265, CR 15 et NGC 1272. Ces galaxies radio sont en train de tomber dans l’amas de Persée. Nous détectons des distorsions dans la queue d’émission radio de la source IC 310 de même que deux jets distincts. Nous rapportons la présence d’une structure filamenteuse globale associée à la galaxie NGC 1265. Finalement, les galaxies radio CR 15 et NGC 1272 sont également résolues dans l’image haute-résolution obtenue.

Clusters and groups of galaxies are dynamic environments, continually perturbed. On the one hand, the supermassive black hole of the central galaxy can release powerful rela- tivistic jets compensating the radiative losses of the intracluster or intragroup medium. This mechanism is called active galactic nucleus feedback. On the other hand, the interaction between the cluster or the group with other galaxies can also generate important perturba- tions such as shocks or cold fronts. In general, these internal or external perturbations leave their footprints into the observations of clusters and groups covering the entire electromag- netic spectrum. In this thesis, the multi-wavelength observational study of one group and one cluster of galaxies, both nearby, is presented. Overall, this work has contributed to the comprehension of some of the complex processes characterizing these environments. First, the analysis of deep observations (380 ks) from the X-ray observatory Chandra of the galaxy NGC 4472 (z = 0.0038), the dominant galaxy of a group falling into the Virgo cluster, is presented. These new observations have allowed the detailed study of the radio lobe dynamics. Rims of cold gas surrounding the radio lobes have been detected and seem to be constituted of gas originating from the group center. We estimate the energy required to lift this gas from the center of NGC 4472 to be ∼ 1056 erg. We have also led the analysis of the abundance distribution of different elements (O, Ne, Mg, Si et Fe) from the X-ray spectrum. Second, we have produced a radio-frequency map of the Perseus cluster (z = 0.018), obtained from new Karl G. Jansky Very Large Array observations at 230-470 MHz in B configuration. The data reduction and calibration steps as well as the imaging process were specifically adjusted for the analysis of these observations, taking into account the strong presence of radio frequency interferences at these frequencies and the presence of the ex- tremely bright central active galactic nucleus in the cluster center. The observations have revealed a multitude of new structures associated with the cluster central diffuse radio emis- sion, the mini-halo. These structures include several radial filaments stretching in different directions, a concave structure correlating with the bay and several other correspondences with the X-ray structures such as cold fronts. These results show that mini-halos are there- fore not simply diffuse, uniform radio sources, but rather have a rich variety of complex structures. A comprehensive picture of the dynamics of the filamentary emission-line nebula sur- rounding NGC 1275, the dominant galaxy of the Perseus cluster, has been revealed with the observations of SITELLE («Spectromètre Imageur à Transformée de Fourier pour l’Étude en Long et en Large des raies d’Émission»), a new optical imaging Fourier transform spec- trometer at Canada-France-Hawaii Telescope. With its wide field of view of 11′ × 11′, it is the only instrument of this type covering the 80kpc × 55kpc (3.8′ × 2.6′ at the distance of NGC 1275) large nebula in its entirety. Our analysis of these observations shows a smooth radial gradient of the [N II]λ6583/Hα line ratio, suggesting a change in the ionization source and mechanism across the nebula. We have produced for the first time a complete detailed velocity map of the filaments. This map reveal a previously unknown rich velocity structure. The velocity map shows no visible general radial trend or rotation, indicating that filaments are not falling uniformly onto the galaxy, nor being uniformly pulled out from it. A com- parison between these measurements and the Hitomi results on the Perseus cluster is also presented. Finally, we have created a high-resolution image at 230-470 MHz of the Perseus cluster with new Karl G. Jansky Very Large Array A configuration observations. The high dynamic range and resolution achieved in this image have allowed the identification of new structures. Most of the extended mini-halo emission filling the core of the Perseus cluster disappears in these observations due to the high resolution and only some of the brightest western parts remain visible. The central radio emission fills the inner X-ray cavities and extends toward the outer cavities. As the outer cavities are visible at lower frequencies, we are therefore catching the spectral turnover at around 350 MHz. Beyond the central emission surrounding NGC 1275, we also describe and analyze the morphology of four complex radio sources harbored in the Perseus cluster: IC 310, NGC 1265, CR 15 and NGC 1272. These radio galaxies are infalling into the Perseus cluster. We detect distortions in the tail of IC 310 as well as two distinct jets. We report the presence of a global radio filamentary structure associated with the galaxy NGC 1265. Lastly, the radio galaxies CR 15 and NGC 1272 are also resolved in this high-resolution image.