Deep radio observations of a high-redshift galaxy cluster

Abstract

Dans le centre d’un amas de galaxies, on trouve une galaxie elliptique géante, qui domine les autres en termes de taille et de masse. Cette galaxie est appelée la galaxie la plus brillante de l’amas (BCG). Grâce à sa position privilégiée proche du centre du puits de potentiel de l’amas, la BCG héberge souvent un trou noir supermassif qui accrète activement. En relâchant une énorme quantité d’énergie, ce noyau galactique actif (AGN) empêche le milieu intra-amas de refroidir et de se déposer sur la BCG. Cette rétroaction de l’AGN tend à arrêter la formation d’étoiles dans la BCG.

Cependant, la façon dont la rétroaction de l’AGN opère dans les BCGs primitives n’est pas bien comprise. De plus, des études récentes semblent indiquer que les BCGs à haut décalage vers le rouge ont une quantité significative de formation d’étoiles in situ. L’une de ces BCGs à sursaut de formation stellaire est dans l’amas de galaxies SpARCS104922.6+564032.5 (raccourci en SpARCS1049). Elle forme des étoiles à un rythme de 950 ± 100 M☉ an−1 et a une morphologie qui rappelle les fusions de galaxies riches en gaz. Dans ce mémoire, je présenterai des observations radio multi-longueurs d’ondes de SpARCS1049 obtenues avec le Very Large Array (VLA), en mettant l’accent sur sa BCG.

J’ai trouvé trois sources radios non résolues, incluant la BCG. La morphologie compacte de l’émission radio de la BCG, tout comme son bon alignement avec le centre optique de la galaxie, suggère que l’émission radio provient de l’AGN et non de la formation d’étoiles. Cependant, la distribution spectrale de l’énergie en radio (Spectral energy distribution ; SED) de cette source est trop mal contrainte pour déterminer définitivement ses origines.

En supposant que toute l’émission radio vient de l’AGN, j’ai trouvé que le niveau d’activité radio est comparable à l’activité moyenne des BCGs à plus bas décalage vers le rouge. C’est inattendu, car une étude précédente a trouvé un immense réservoir de gaz moléculaire froid de 1.1±0.1×10^11 M☉ au centre de SpARCS1049, suggérant que quelque chose empêche partiellement le gaz de tomber dans le trou noir.

J’ai calculé la nouvelle SED (de l’optique jusqu’au radio) avec mes nouvelles mesures de flux en radio. J’ai trouvé que l’essentiel de la formation d’étoiles a probablement lieu non loin de la BCG mais pas en elle. Comme la formation d’étoiles ne semble pas avoir été détectée en radio, j’ai calculé une limite supérieure sur celle-ci et je l’ai utilisée en combinaison avec le flux infrarouge lointain (estimé par la SED), pour explorer l’étendue de la formation d’étoiles. J’ai découvert que la formation d’étoiles est probablement très diffuse.

Finalement, j’ai exploré trois scénarios de formation pouvant expliquer la morphologie inhabituelle de la BCG et la présence d’un réservoir de gas moléculaire substantiel, en utilisant les données radio (et les non-détections) pour les contraindre : 1) une fusion majeure de galaxies riches en gaz, 2) dépouillement du gaz de quelques petites galaxies ou 3) déplacement d’un flot de gaz refroidi. Le scénario de fusion majeure de galaxies riches en gaz est peu probable, mais davantage de données sont nécessaires pour favoriser un des deux scénarios restants.

In the centre of a cluster of galaxies lies a giant elliptical galaxy, dominating the others in terms of size and mass. This galaxy is called the Brightest Cluster Galaxy (BCG). Due to its privileged position near the gravitational potential well of the cluster, the BCG often hosts an actively accreting supermassive black hole. By releasing a tremendous amount of energy, this Active Galactic Nucleus (AGN) prevents the intracluster medium from cooling and condensing onto the BCG. This AGN feedback tends to quench star formation in BCGs.

However, the way AGN feedback operates in primitive BCGs is not well understood. Moreover, recent studies seem to indicate that high redshift BCGs have a significant amount of in-situ star formation. One of those stabursting BCGs is in the cluster SpARCS104922.6+564032.5 (shortened into SpARCS1049). It forms stars at a rate of 950 ± 100 M☉ yr−1 and has a morphology reminiscent of a major gas-rich merger. In this dissertation, I will present multiwavelength radio observations of SpARCS1049 obtained with the Very Large Array (VLA), focusing on its BCG.

I found three unresolved radio sources in SpARCS1049, including the BCG. The compact morphology of the radio emission from the BCG, as well as its good alignment with the galaxy optical centre, suggests that the radio emission originates from the AGN and not from star formation. However, the radio spectral energy distribution (SED) of this source is too poorly constrained to definitely determine its origin.

Assuming all the radio emission of the BCG comes from its AGN, I found that the level of radio activity is comparable to the average activity of lower redshift BCGs. This was unexpected because a previous study found an immense cold molecular gas reservoir of 1.1 ± 0.1 × 10^11 M☉ in the centre of SpARCS1049, suggesting that something partially prevents the infalling of the gas into the black hole.

I computed a new SED (from optical to radio) with my new radio flux measurements. I found that the bulk of the star formation probably takes place in the vicinity of the BCG but not inside. Since the star formation does not seem to be detected at radio wavelengths, we computed an upper limit on it and used this limit in combination with far infrared fluxes estimated from the SED to explore the extent of the star formation. I discovered that the star formation is probably very diffuse.

Finally, I explored three formation scenarios that could explain the unusual infrared morphology of the BCG and the presence of a substantial molecular gas reservoir, using radio data (and non-detections) to constrain them: 1) a major gas-rich merger, 2) gas stripping from several small galaxies or 3) a displaced cooling flow. I found that the major gas-rich merger scenario is unlikely, but more data are needed to favor one of the two remaining scenarios.