Modelling the ultraviolet-to-infrared spectral energy distributions of galaxies
Modélisation des distributions spéctrales d'énérgie des galaxies de l'ultraviolet à l'infrarouge
Résumé
The spectral energy distributions of galaxies at ultraviolet, optical and infrared wavelengths are clues to both the radiation produced by stellar populations and the effect of gas and dust in the interstellar medium (ISM) on this radiation. Spectral interpretation studies are therefore crucial to understand how galaxies formed and evolved. Observationally, combined ultraviolet, optical and infrared data are now becoming available for large samples of galaxies. So far, these have focused mainly on the local galaxy population, but future deep surveys will provide observations of large galaxy samples at higher redshifts. To extract constraints on the stellar populations and ISM of galaxies from these multi-wavelength observations requires the consistent modelling of the emission by stars, gas and dust. In this thesis, we present a simple, largely empirical but physically motivated model, which is designed to interpret consistently multi-wavelength observations from large samples of galaxies in terms of physical parameters, such as star formation rate, stellar mass and dust content. This model relies on an existing angle-averaged prescription to compute the absorption of starlight by dust in stellar birth clouds and in the ambient interstellar medium (ISM) in galaxies. We compute the spectral energy distribution of the power re-radiated by dust in stellar birth clouds as the sum of three components: a component of polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs); a mid-infrared continuum characterising the emission from hot grains at temperatures in the range 130–250 K; and a component of grains in thermal equilibrium with adjustable temperature in the range 30–60 K. In the ambient ISM, we fix for simplicity the relative proportions of these three components to reproduce the spectral shape of diffuse cirrus emission in the Milky Way, and we include a component of cold grains in thermal equilibrium with adjustable temperature in the range 15–25 K. Our model is both simple and versatile enough to allow the derivation of statistical constraints on the star formation histories and dust contents of large samples of galaxies using a wide range of ultraviolet, optical and infrared observations. We illustrate this by deriving median-likelihood estimates of a set of physical parameters describing the stellar and dust contents of local star-forming galaxies from three different samples. The model reproduces well the observed spectral energy distributions of these galaxies across the entire wavelength range from the far-ultraviolet to the far-infrared, and the star formation histories and dust contents of the galaxies are well constrained. A main advantage provided by this model is the ability to study the relation between different physical parameters of observed galaxies in a quantitative and statistically meaningful way. Our analysis of star-forming galaxies from the Spitzer Infrared Nearby Galaxy Sample (SINGS) and the Spitzer-SDSS-GALEX Spectroscopic Survey (SSGSS) reveals that the mid- and far-infrared colours of galaxies correlate strongly with the specific star formation rate, as well as with other galaxy-wide quantities connected to this parameter, such as the ratio of infrared luminosity between stellar birth clouds and the ambient ISM, the contributions by PAHs and grains in thermal equilibrium to the total infrared emission, and the ratio of dust mass to stellar mass. These correlations provide important insight into the link between star formation and ISM properties in galaxies. We investigate further the relation between star formation activity and dust content in galaxies by assembling a large sample of 3321 galaxies with available observations at ultraviolet (GALEX), optical (SDSS) and infrared (IRAS) wavelengths. We find that the star formation rate correlates remarkably well with galaxy dust mass over four orders of magnitude in both quantities. This allows us to provide a simple empirical recipe to estimate the total dust mass of galaxies from the star formation rate. We compare our findings with the predictions from recent models of the chemical evolution of galaxies. We also compare the relations between the specific star formation rate, the ratio of dust luminosity to stellar mass and the ratio of dust luminosity to star formation rate obtained from our analysis with those predicted by state-of-the-art cosmological simulations of galaxy formation. The model presented in this thesis can be straightforwardly applied to interpret ultraviolet, optical and infrared spectral energy distributions from any galaxy sample.
Les distributions spectrales d'énérgie des galaxies en ultraviolet, optique et infrarouge nous donnent des pistes sur le rayonnnement produit par les populations stellaires et l'effet du gaz et de la poussière du milieu interstellaire sur ce rayonnement. Des études d'interpretation spectrale sont donc déterminantes pour comprendre la formation et l'évolution des galaxies. Observationellement, des données en ultraviolet, optique et infrarouge deviennent disponibles pour des grands échantillons de galaxies. Jusqu'à présent, ces études se sont concentrées principalement sur la population locale de galaxies, mais de futurs relevés plus profonds apporteront des observations de grands échantillons de galaxies a des plus grandes décalages spectrales vers le rouge. Pour extraire des contraintes sur les populations stellaires et le milieu interstellaire des galaxies a partir de ces observations multi- longueur d'ondes, on a besoin de modéliser d'une façon cohérente l'émission par les étoiles, le gaz et les poussières. Cette thèse présente un modèle simple, largement empirique mais avec une motivation physique, qui est déstiné a interpreter systématiquement les observations multi-longueur d'ondes de grands échantillons de galaxies en termes de ses paramètres physiques, comme par exemple le taux de formation d'étoiles, la masse stellaire et le contenu en poussière. Ce modèle est relié a un modèle déjà existant qui permet de calculer l'absorption de la lumière des étoiles par la poussière dans les nuages moleculaires ou sont nées les étoiles et dans le interstellaire environment des galaxies. On calcule la distribution spectrale de l'énergie re-émise par la poussière dans les nuages de formation d'étoiles comme la somme de trois composantes: une composante de hydrocarbures aromatiques polycycliques (PAHs); un continu en infrarouge moyen qui caracterize l'émission par des grains de poussière a des températures dans la gamme 130–250 K; et une composante de grains en équilibre thérmique avec température réglable dans la gamme 30–60 K. Dans le milieu interstellaire environmental, on fixe par simplicité les proportions rélatives de ces trois composantes de façon a réproduire la forme spectrale de l'émission diffuse cirrus de la Voie Lactée, et on inclu une composante de grains froids en équilibre thérmique avec température réglable dans la gamme 15–25 K. Ce modèle est au même temps assez simple et versatile pour permettre d'obtenir de contraintes statistiques sur les taux de formation d'étoiles et contenus en poussière de grands échantillons de galaxies en utilisant une vaste gamme d'observations en ultraviolet, optique et infrarouge. On illustre ce fait en tirant des estimations de ‘vraisemblence mediane' d'une série de parametres physiques qui décrivent le contenu en étoiles et en poussières de galaxies à formation d'étoiles locales provennant de trois échantillons différents. Le modèle réproduit bien les distributions spectrales d'énergie observées de ces galaxies dans toute la gamme de longueur d'onde de l'ultraviolet lointain à l'infrarouge lointain, et les histoires de formation d'étoiles et contenus en poussières sont bien contraints. Une des avantages de ce modèle est la capacité d'étudier le rapport entre des différents parametres physiques des galaxies observées d'une manière quantitative et statistiquement significative. L'analyse des galaxies à formation d'étoiles des échantillons Spitzer Infrared Nearby Galaxy Sample (SINGS) et Spitzer-SDSS-GALEX Spectroscopic Survey (SSGSS) révèle que les couleurs des galaxies en infrarouge moyen et lointain sont fortement corrélées avec le taux de formation d'étoiles spécifique, aussi bien que avec d'autres quantités galactiques reliées a ce parametre, comme par example le rapport entre la luminosité infrarouge des régions de formation d'étoiles et celle du milieu interstellaire environment, les contributions par des PAHs et grains de poussière en équilibre thérmique pour l'émission infrarouge totale, et le rapport entre la masse de poussière et la masse d'étoiles. Ces corrélations fournissent des informations importantes sur le lien entre la formation d'étoiles et les propriétés du millieu interstellaire dans les galaxies. On étudie d'avantage le rapport entre l'activité de formation d'étoiles et le contenu en poussières des galaxies. Pour cela, on rassemble un grand échantillon de 3321 galaxies avec des observations disponibles en ultraviolet (GALEX), optique (SDSS) et infrarouge (IRAS). On trouve que le taux de formation d'étoiles corrèle remarquablement bien avec la masse de poussière des galaxies sur quatre ordres de grandeur en les deux quantités. Cela nous permet de fournir une recette empirique simple pour évaluer la masse totale de poussière des galaxies à partir du taux de formation d'étoiles. On compare nos résultats avec les prédictions de modèles recents de l'évolution chimique des galaxies. On compare aussi les corrélations entre le taux de formation d'étoiles spécifique, le rapport entre la luminosité de poussière et la masse d'étoiles, et le rapport entre la luminosité de poussière et le taux de formation d'étoiles obtenus dans notre analyse avec ceux qui sont prévus par des modernes simulations cosmologiques de formation des galaxies. Le modèle présenté dans cette thèse peut être appliqué simplement pour interpreter les distributions spectrales d'énergie de n'importe quel échantillon de galaxies.
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