Le travail présenté dans cette thèse porte sur l'étude des amas de galaxies dont le modèle simple de formation par effondrement sphérique implique des propriétés auto-similaires de ces structures. Néanmoins, des processus non-gravitationnels liés à la présence de matière baryonique, tels que l'activité des galaxies ou les mouvements du gaz, entrainent des modifications des propriétés physiques et morphologiques des amas.
Le but de cette thèse est, dans un premier temps, de contraindre la relation d'échelle entre la luminosité X et la température du gaz intra-amas d'un nouvel échantillon de 155 amas et groupes de galaxies à bas redshift issu du relevé X-CLASS. Le relevé X-CLASS est un échantillon d'amas de galaxies sélectionnés dans les images d'archives du satellite XMM-Newton. Après une nouvelle campagne d'assignation des redshifts à partir d'informations photométriques et spectroscopiques, le relevé X-CLASS est finalement composé de 1599 amas de galaxies dont 95% ont une information fiable sur leur redshift. Un des objectifs de cette thèse a été de construire un sous-échantillon à bas redshift (z<0.2) complet, incluant 155 amas (X-CLASS-LR), pour lesquels j'ai mesuré la température et la métallicité du plasma chaud constituant le milieu intra-amas. J'en ai déduit une estimation de la masse et du rayon caractéristique du halo de matière noire associé pour 133 amas ainsi que leur luminosité X et leur masse de gaz. J'ai utilisé ces mesures pour construire un modèle bayésien et modéliser la relation $L_X-T$ en tenant compte des effets de sélection ainsi que des incertitudes de mesure. Le résultat principal de ce travail est une mesure précise des paramètres décrivant cette relation sous la forme d'une loi de puissance, et notamment la pente $B=2.9pm 0.1$. Ce résultat s'inscrit dans une tendance d'augmentation de la pente lorsque la masse des amas observés diminue dans différents relevés ainsi que dans les simulations cosmologiques hydrodynamiques. Ces résultats permettent de décrire un scénario dans lequel l'injection d'énergie dans le gaz intra-amas par les AGN et les étoiles joue un rôle de plus en plus important par rapport aux forces gravitationnelles lorsque la masse des systèmes diminue. En effet, la rétroaction des AGN pourrait éjecter plus facilement une fraction significative du gaz central vers les régions extérieures lorsque la structure est moins massive et, par conséquent, diminuer la densité du gaz ainsi que sa luminosité en rayons X.
Un second volet de cette thèse concerne l'étude des paramètres morphologiques globaux des amas de galaxies observés dans le domaine optique ainsi qu'en rayons X. Ces paramètres permettent d'identifier et de quantifier l'état dynamique des amas. J'ai dans un premier temps effectué une identification de la galaxie centrale de 938 amas du catalogue X-CLASS, combinant un algorithme suivi d'une inspection visuelle collaborative, afin de dériver son ellipticité et son orientation ainsi que le décalage entre la galaxie centrale et le centroïde de l'émission X. J'ai ensuite dérivé la concentration de l'émission X à partir des profils de la brillance de surface en rayons X de 651 amas. L'étude de la corrélation entre le décalage de la galaxie centrale par rapport au centroïde X et la concentration de l'émission X montre une tendance vers un décalage plus faible lorsque la concentration augmente. Ces résultats sont en adéquation avec les études théoriques et observationnelles montrant un lien entre l'état dynamique du gaz intra-amas et celui de la distribution des galaxies dans le puits de potentiel gravitationnel.
Les résultats présentés dans cette thèse apportent donc des contraintes supplémentaires sur les effets des processus gravitationnels et non-gravitationnels sur les propriétés physiques et morphologiques des amas de galaxies. Ils pourront contribuer à une meilleure compréhension des grands relevés des prochaines années construits avec les futurs observatoires Euclid et NewAthena. |
The work presented in this thesis focuses on the study of galaxy clusters, whose simple spherical collapse formation model predicts self-similar properties for these structures. However, non-gravitational processes associated with the presence of baryonic matter, such as galaxy activity and gas motions, modify the physical and morphological properties of galaxy clusters.
The first part of this thesis aims at constraining the scaling relation between the X-ray luminosity and the temperature of the intra-cluster gas for a new sample of 155 low-redshift galaxy clusters and groups from the X-CLASS survey. The X-CLASS survey consists of a sample of galaxy clusters selected from archival images of the XMM-Newton satellite. Following a new redshift assignment campaign based on photometric and spectroscopic information, the X-CLASS survey is finally composed of 1599 galaxy clusters, 95% of which have reliable redshift measurements. One of the objectives of this thesis was to construct a complete low-redshift (z<0.2) subsample, comprising 155 clusters (X-CLASS-LR), for which I measured the temperature and metallicity of the hot plasma constituting the intra-cluster medium. From these measurements, I derived estimates of the mass and characteristic radius of the associated dark matter halo for 133 clusters, as well as their X-ray luminosity and gas mass. I used these measurements to construct a Bayesian model and characterize the $L_X-T$ relation while accounting for selection effects and measurement uncertainties. The main result of this work is a precise measurement of the parameters describing the relation as a power law, in particular its slope $B=2.9pm 0.1$. This result is consistent with the trend observed in various surveys and hydrodynamical cosmological simulations, whereby the slope increases as the mass of the observed systems decreases. These results support a scenario in which energy injection into the intra-cluster medium by AGN and stars becomes increasingly important relative to gravitational processes as the mass of the systems decreases. Indeed, AGN feedback may more efficiently eject a significant fraction of the central gas towards the outer regions in less massive systems, thereby reducing the gas density and, consequently, their X-ray luminosity.
The second part of this thesis focuses on the study of global morphological parameters of galaxy clusters observed both in the optical and in X-rays. These parameters can be used to identify and quantify the dynamical state of galaxy clusters. I first identified the central galaxy in 938 clusters from the X-CLASS survey using a combination of an algorithm and collaborative visual inspection. This allowed me to derive its ellipticity and orientation, as well as the offset between the central galaxy and the X-ray emission centroid. I then derived the concentration of the X-ray emission from X-ray surface brightness profiles for 651 clusters. The study of the correlation between the offset of the central galaxy from the X-ray centroid and the concentration of the X-ray emission reveals a trend towards smaller offsets at higher concentrations. These results are consistent with theoretical and observational studies showing a connection between the dynamical state of the intra-cluster gas and that of the galaxy distribution within the gravitational potential well.
The results presented in this thesis provide further constraints on the effects of gravitational and non-gravitational processes on the physical and morphological properties of galaxy clusters. They may also provide valuable insight for the large surveys of the coming years that will be carried out with the future Euclid and NewAthena observatories. |