Modelling primeval galaxies in the JWST era

Modélisation des galaxies primitives à l'ère du JWST Le télescope spatial James Webb, lancé en décembre 2021, est considéré comme l'observatoire majeur de la décennie en cours. S'il doit explorer toutes les phases de l'histoire cosmique, l'un de ses principaux buts scientifiques est de dévoiler les premières étoiles et galaxies formées dans l'obscurité de l'Univers primitif, qui ont conduit à sa réionisation avant d'évoluer vers la population de galaxies observable aujourd'hui. Pour interpréter les données spectroscopiques recueillies par le JWST, il est nécessaire de développer des modèles qui contraignent efficacement la physique de l'émission des galaxies primitives. Cette démarche peut être guidée par l'observation de galaxies proches aux propriétés similaires à celles attendues pour les galaxies primitives, c'est-à-dire extrêmement pauvres en métaux et formant activement des étoiles. De telles galaxies dans l'Univers local présentent des champs de rayonnement étonnamment durs, se traduisant notamment par d'intenses raies d'émission à haute ionisation, qui ne peuvent être pleinement expliquées par aucun modèle existant. De récentes études pointent vers le rôle essentiel que pourraient jouer les étoiles binaires massives dans cette émission. Le but de cette thèse est d'abord d'ouvrir une nouvelle brèche dans la modélisation de l'émission des galaxies primitives, en explorant les signatures spectrales d'étoiles binaires massives. Pour cela, j'étudie l'émission nébulaire de populations d'étoiles jeunes générées grâce au nouveau modèle GALSEVN, qui combine le code de synthèse de population SEVN, qui inclut les interactions entre étoiles binaires, et le code d'évolution spectrale GALAXEV. Cette démarche confirme que les interactions entre les étoiles des systèmes binaires influencent fortement les propriétés d'émission des galaxies jeunes. Je montre en particulier que GALSEVN reproduit les rapports d'intensités HeII/Hb élevés communément observés dans les galaxies sous métalliques à formation stellaire active, difficiles à reproduire avec les modèles actuels. Je montre également comment la considération de sursauts de formation stellaire successifs peut améliorer l'accord avec les observations, tandis que les valeurs les plus extrêmes des caractéristiques spectrales de HeII peuvent être reproduites par des populations stellaires dominées par les étoiles massives. GALSEVN permet aussi de calculer de manière inédite l'émission des disques d'accrétion dans les binaires X et des chocs radiatifs issus des vents stellaires et des supernovae, en utilisant une approche auto-cohérente construite à partir des caractéristiques des populations stellaires. Ce travail montre que ces contributions n'affectent que peu les rapports tels que HeII/Hb, contrairement à ce qui a pu être prédit par d'autres modèles, qui semblent surestimer les luminosités X de galaxies proches par rapport à la fonction de luminosité moyenne observée pour les binaires X. GALSEVN peut également prédire l'émission de populations stellaires extrêmement sous-métalliques, représentatives des premières générations d'étoiles de notre Univers. L'étude de différents paramètres caractérisant l'émission de ces étoiles conforte l'idée que les premières étoiles ont pu jouer un rôle majeur dans la réionisation de l'Univers et la formation des structures observées aujourd'hui. L'ensemble des résultats présentés dans cette thèse permettent finalement d'établir une solide base pour l'investigation plus poussée des propriétés des galaxies primitives. En construisant une grille étendue de modèles aux propriétés stellaires et nébulaires variées, il est possible d'appliquer des méthodes statistiques pour interpréter les données collectées par le JWST et contraindre les propriétés physiques des galaxies observées. En conclusion, cette thèse a conduit au développement et à la publication de nouveaux modèles permettant une interprétation inédite des propriétés physiques de galaxies à l'émission dominée par leur jeune population stellaire.