Division of Electronics, Detectors and Computing for Physics (DEDIP)

 The presentation will be in English.

Location: Galilée room - Building 713

Day : December 1rst 2022

Time: 10AM

Title: Multicomponent models of the interstellar medium in low-metallicity dwarf galaxies

Abstract: In this thesis, I will present a new modeling framework adapted to study the multiphase interstellar medium (ISM), including and especially within low-metallicity galaxies. In such chemically unevolved environments, important changes of the gas heating and cooling mechanisms are expected, with an impact on the resulting spectral signatures. We intend to use those spectral signatures as probes of the physical conditions in low-metallicity dwarf galaxies, which may resemble the conditions expected in the early universe. To analyze the complex spectral signatures arising from the interstellar gas heated by stars and X-ray sources, we selected a photoionization and photodissociation code (Cloudy). While the geometry of such 1D models is simplistic, they can be improved using topological models which reproduce the emission by combining several models as components drawn from a large pre-computed grid. To explore this N-dimensional parameter space, we exploited the strength of Bayesian techniques and developed a new code, MULTIGRIS, which uses suites of emission lines to constrain the posterior probability distribution functions of various parameters. After the technical description of the code and its inner workings, I will present a first application to a sample of star-forming dwarf galaxies in the local universe, using multisector topologies to account for the contribution of density-bounded H II regions from where ionizing photons might escape. We find that the escape fraction is globally larger at low metallicity, especially for high specific star formation rates, though with a wide scatter which suggests the influence of secondary parameters. In a second application, we intend to determine the gas mass distribution in the different phases of the ISM, with a specific focus on the molecular gas phase and its ubiquitous “CO-dark” component, unseen with classical tracers like CO. We find that the molecular gas is dominated by this CO-dark component at low metallicity, and discuss the impact of different clouds distributions on the CO-to-H2 conversion factors we derive. Tools like MULTIGRIS, applied to mock observations or observations of nearby galaxies, may help gain insights into the complex mechanisms at play in the first galaxies that formed within the Reionization epoch. This approach opens promising opportunities for future applications, including for high-redshift galaxies, with the already available and future detections from ALMA and JWST.

 Keywords: interstellar medium; star formation; H II regions; molecular gas; dwarf galaxies; spectroscopy; infrared; Bayesian statistics; numerical methods.

Thesis supervisor: Vianney LEBOUTEILLER

Jury members: 

            - Vianney LEBOUTEILLER: Thesis supervisor (AIM, CEA Saclay)

            - Denis BURGARELLA: Reporter (Laboratoire d'Astrophysique de Marseille)

            - Göran ÖSTLIN: Reporter (Stockholm University)

            - Pierre GUILLARD: Examiner (Institut d'Astrophysique de Paris)

            - Amélie SAINTONGE: Examiner (University College London)

            - Anne VERHAMME: Examiner (Observatoire de Genève)

            - Franck LE PETIT: President of the jury (Observatoire de Paris)

 _______________________________________________________

Chères et chers collègues, 

J’ai le plaisir de vous convier à ma soutenance de thèse de doctorat qui porte sur les modèles multicomposantes du milieu interstellaire dans les galaxies naines de faible métallicité.

La présentation sera en anglais.

Lieu : Salle Galilée, bâtiment 713  

Jour : 1er Décembre 2022

Heure : 10h

Titre : Modèles multicomposantes du milieu interstellaire dans les galaxies naines de faible métallicité

Résumé : Dans cette thèse, je présente un nouveau formalisme mathématique adapté à l’étude des différentes phases du milieu interstellaire (MIS), y compris et en particulier dans les galaxies de faible métallicité. Dans de tels environnements peu évolués chimiquement, les mécanismes de chauffage et de refroidissement sont bouleversés, ce qui a un impact marqué sur les signatures spectrales qui en résultent. Nous souhaitons utiliser ces signatures spectrales caractéristiques pour sonder les conditions physiques dans les galaxies naines de faible métallicité. Ces conditions pourraient ressembler celles attendues dans l’univers primordial. Pour analyser les signatures spectrales complexes associées au chauffage du gaz interstellaire par des étoiles et des sources de rayonnement X, nous avons sélectionné un code de photo-ionisation et photo-dissociation (Cloudy). Bien que la géométrie de ces modèles 1D soit simpliste, ils peuvent être aisément adaptés avec des modèles topologiques qui reproduisent l’émission observée en combinant plusieurs modèles issus d’une grille pré-calculée. Pour explorer cet espace de paramètres à N dimensions, nous avons utilisé des méthodes Bayésiennes et développé un nouveau code, MULTIGRIS qui se base sur des suites de raies d’émission pour contraindre les distributions postérieures de probabilité de différents paramètres. Après la description technique du code et de son fonctionnement, je présenterai une première application à un échantillon de galaxies naines formant des étoiles dans l’univers proche, qui utilise des modèles topologiques multisecteurs pour prendre en compte la contribution de régions H II bornées par la densité, par lesquelles des photons ionisants peuvent s’échapper. Nous trouvons des fractions d’échappement globalement plus élevées à faible métallicité, particulièrement pour les taux spécifiques de formation d’étoiles les plus hauts, avec cependant une large dispersion qui suggère l’influence de paramètres secondaires. Dans une seconde application, nous souhaitons déterminer la distribution en masse du gaz dans les différentes phases du MIS, en se focalisant particulièrement sur l’étude du gaz moléculaire et de sa composante sombre, invisible avec les traceurs habituels comme CO. Nous trouvons que le gaz moléculaire est dominé par cette composante CO-dark à faible métallicité et discutons l’impact de différentes distributions de nuages sur les facteurs de conversion de CO à H2 que nous dérivons. L’application d’outils comme MULTIGRIS, à la fois à des galaxies simulées et à des observations de galaxies proches, pourrait permettre d’améliorer notre compréhension des mécanismes en jeu au sein des premières galaxies à s’être créées, durant l’époque de la Réionisation. Cette approche ouvre la voie à de futures applications, y compris pour des galaxies lointaines, pour exploiter les observations actuelles et à venir avec des télescopes tels qu’ALMA ou le JWST.

Mots-clefs : milieu interstellaire; formation d’étoiles; régions H II; gaz moléculaire; galaxies naines; spectroscopie; infrarouge; statistiques bayésiennes; méthodes numériques.

Directeur de thèse : Vianney LEBOUTEILLER

Membres du jury : 

                   - Vianney LEBOUTEILLER: Directeur de thèse (AIM, CEA Saclay)

                   - Denis BURGARELLA: Rapporteur (Laboratoire d'Astrophysique de Marseille)

                   - Göran ÖSTLIN: Rapporteur (Stockholm University)

                   - Pierre GUILLARD: Examinateur (Institut d'Astrophysique de Paris) 

                   - Amélie SAINTONGE: Examinatrice (University College London)

                   - Anne VERHAMME: Examinatrice (Observatoire de Genève)

                   - Franck LE PETIT: Président du jury (Observatoire de Paris)