Local luminous infrared galaxies: Spatially resolved mid-infrared observations with Spitzer/IRS

Luminous Infrared (IR) Galaxies (LIRGs, L_IR=10^11-10 L_⨀) are an important cosmological class of galaxies as they are the main contributors to the co-moving star formation rate density of the universe at z=1. In this paper we present a guaranteed time observation (GTO) Spitzer InfraRed Spectrograph (IRS) program aimed to obtain spectral mapping of a sample of 14 local d<76Mpc LIRGs. The data cubes map, at least, the central 20arcsec X 20arcsec to 30 arcsec X 30 arcsec regions of the galaxies, and use all four IRS modules covering the full 5-38 μ m spectral range. The final goal of this project is to characterize fully the mid-IR properties of local LIRGs as a first step to understanding their more distant counterparts. In this paper we present the first results of this GTO program. The IRS spectral mapping data allow us to build spectral maps of the bright mid-IR emission lines (e.g., [Ne II] 12.81 μ m, [Ne III]15.56 μ m, [S III] 18.71 μ m, H_2 at 17 μ m), continuum, the 6.2 and 11.3 μ m polycyclic aromatic hydrocarbon (PAH) features, and the 9.7 μ m silicate feature, as well as to extract 1D spectra for regions of interest in each galaxy. The IRS data are used to obtain spatially resolved measurements of the extinction using the 9.7 μ m silicate feature, and to trace star forming regions using the neon lines and the PAH features. We also investigate a number of active galactic nuclei (AGN) indicators, including the presence of high excitation emission lines and a strong dust continuum emission at around 6 9.7 μ m . We finally use the integrated Spitzer/IRS spectra as templates of local LIRGs. We discuss several possible uses for these templates, including the calibration of the star formation rate of IR-bright galaxies at high redshift. We also predict the intensities of the brightest mid-IR emission lines for LIRGs as a function of redshift, and compare them with the expected sensitivities of future space IR missions.

Mid-infrared spectroscopy of lensed galaxies at 1 < z < 3: The nature of sources near the MIPS confusion limit

We present Spitzer IRS mid-infrared spectra for 15 gravitationally lensed, 24 μm-selected galaxies, and combine the results with four additional very faint galaxies with IRS spectra in the literature. The median intrinsic 24 μm flux density of the sample is 130 μJy, enabling a systematic survey of the spectral properties of the very faint 24 μm sources that dominate the number counts of Spitzer cosmological surveys. Six of the 19 galaxy spectra (32%) show the strong mid-IR continuua expected of AGNs; X-ray detections confirm the presence of AGNs in three of these cases, and reveal AGNs in two other galaxies. These results suggest that nuclear accretion may contribute more flux to faint 24 μm-selected samples than previously assumed. Almost all the spectra show some aromatic (PAH) emission features; the measured aromatic flux ratios do not show evolution from z = 0. In particular, the high signal-to-noise mid-IR spectrum of SMM J163554.2+661225 agrees remarkably well with low-redshift, lower luminosity templates. We compare the rest-frame 8 μm and total infrared luminosities of star-forming galaxies, and find that the behavior of this ratio with total IR luminosity has evolved modestly from z = 2 to z = 0. Since the high aromatic-to-continuum flux ratios in these galaxies rule out a dominant contribution by AGNs, this finding implies systematic evolution in the structure and/or metallicity of infrared sources with redshift. It also has implications for the estimates of star-forming rates inferred from 24 μm measurements, in the sense that at z ~ 2, a given observed frame 24 μm luminosity corresponds to a lower bolometric luminosity than would be inferred from low-redshift templates of similar luminosity at the corresponding rest wavelength.

The star formation and extinction coevolution of UV-selected galaxies over 0.05 < z < 1.2

We use a new stacking technique to obtain mean mid-IR and far-IR to far-UV flux ratios over the rest-frame near-UV, near-IR color-magnitude diagram. We employ COMBO-17 redshifts and COMBO-17 optical, GALEX far- and near-UV, and Spitzer IRAC and MIPS mid-IR photometry. This technique permits us to probe the infrared excess (IRX), the ratio of far-IR to far-UV luminosity, and the specific star formation rate (SSFR) and their coevolution over 2 orders of magnitude of stellar mass and over redshift 0.1 < z < 1.2. We find that the SSFR and the characteristic mass (Script M_0) above which the SSFR drops increase with redshift (downsizing). At any given epoch, the IRX is an increasing function of mass up to Script M_0. Above this mass the IRX falls, suggesting gas exhaustion. In a given mass bin below Script M_0, the IRX increases with time in a fashion consistent with enrichment. We interpret these trends using a simple model with a Schmidt-Kennicutt law and extinction that tracks gas density and enrichment. We find that the average IRX and SSFR follow a galaxy age parameter ξ, which is determined mainly by the galaxy mass and time since formation. We conclude that blue-sequence galaxies have properties which show simple, systematic trends with mass and time such as the steady buildup of heavy elements in the interstellar media of evolving galaxies and the exhaustion of gas in galaxies that are evolving off the blue sequence. The IRX represents a tool for selecting galaxies at various stages of evolution.

Near-infrared and star-forming properties of local luminous infrared galaxies

We use Hubble Space Telescope (HST) NICMOS continuum and Paα observations to study the near-infrared and star formation properties of a representative sample of 30 local (d ~ 35-75 Mpc) luminous infrared galaxies (LIRGs, infrared [8-1000 μm] luminosities of log L_IR = 11-11.9 L_☉). The data provide spatial resolutions of 25-50 pc and cover the central ~3.3-7.1 kpc regions of these galaxies. About half of the LIRGs show compact (~1-2 kpc) Paα emission with a high surface brightness in the form of nuclear emission, rings, and minispirals. The rest of the sample show Paα emission along the disk and the spiral arms extending over scales of 3-7 kpc and larger. About half of the sample contains H II regions with Hα luminosities significantly higher than those observed in normal galaxies. There is a linear empirical relationship between the mid-IR 24 μm and hydrogen recombination (extinction-corrected Paα) luminosity for these LIRGs, and the H II regions in the central part of M51. This relation holds over more than four decades in luminosity, suggesting that the mid-IR emission is a good tracer of the star formation rate (SFR). Analogous to the widely used relation between the SFR and total IR luminosity of R. Kennicutt, we derive an empirical calibration of the SFR in terms of the monochromatic 24 μm luminosity that can be used for luminous, dusty galaxies.

Modélisation de l'évolution hydroclimatique des flux et stocks d'eau verte et d'eau bleue du bassin versant de la Garonne

La gestion intégrée de la ressource en eau implique de distinguer les parcours de l’eau qui sont accessibles aux sociétés de ceux qui ne le sont pas. Les cheminements de l’eau sont nombreux et fortement variables d’un lieu à l’autre. Il est possible de simplifier cette question en s’attardant plutôt aux deux destinations de l’eau. L’eau bleue forme les réserves et les flux dans l’hydrosystème : cours d’eau, nappes et écoulements souterrains. L’eau verte est le flux invisible de vapeur d’eau qui rejoint l’atmosphère. Elle inclut l’eau consommée par les plantes et l’eau dans les sols. Or, un grand nombre d’études ne portent que sur un seul type d’eau bleue, en ne s’intéressant généralement qu’au devenir des débits ou, plus rarement, à la recharge des nappes. Le portrait global est alors manquant. Dans un même temps, les changements climatiques viennent impacter ce cheminement de l’eau en faisant varier de manière distincte les différents composants de cycle hydrologique. L’étude réalisée ici utilise l’outil de modélisation SWAT afin de réaliser le suivi de toutes les composantes du cycle hydrologique et de quantifier l’impact des changements climatiques sur l’hydrosystème du bassin versant de la Garonne. Une première partie du travail a permis d’affiner la mise en place du modèle pour répondre au mieux à la problématique posée. Un soin particulier a été apporté à l’utilisation de données météorologiques sur grille (SAFRAN) ainsi qu’à la prise en compte de la neige sur les reliefs. Le calage des paramètres du modèle a été testé dans un contexte differential split sampling, en calant puis validant sur des années contrastées en terme climatique afin d’appréhender la robustesse de la simulation dans un contexte de changements climatiques. Cette étape a permis une amélioration substantielle des performances sur la période de calage (2000-2010) ainsi que la mise en évidence de la stabilité du modèle face aux changements climatiques. Par suite, des simulations sur une période d’un siècle (1960-2050) ont été produites puis analysées en deux phases : i) La période passée (1960-2000), basée sur les observations climatiques, a servi de période de validation à long terme du modèle sur la simulation des débits, avec de très bonnes performances. L’analyse des différents composants hydrologiques met en évidence un impact fort sur les flux et stocks d’eau verte, avec une diminution de la teneur en eau des sols et une augmentation importante de l’évapotranspiration. Les composantes de l’eau bleue sont principalement perturbées au niveau du stock de neige et des débits qui présentent tous les deux une baisse substantielle. ii) Des projections hydrologiques ont été réalisées (2010-2050) en sélectionnant une gamme de scénarios et de modèles climatiques issus d’une mise à l’échelle dynamique. L’analyse de simulation vient en bonne part confirmer les conclusions tirées de la période passée : un impact important sur l’eau verte, avec toujours une baisse de la teneur en eau des sols et une augmentation de l’évapotranspiration potentielle. Les simulations montrent que la teneur en eau des sols pendant la période estivale est telle qu’elle en vient à réduire les flux d’évapotranspiration réelle, mettant en évidence le possible déficit futur des stocks d’eau verte. En outre, si l’analyse des composantes de l’eau bleue montre toujours une diminution significative du stock de neige, les débits semblent cette fois en hausse pendant l’automne et l’hiver. Ces résultats sont un signe de l’«accélération» des composantes d’eau bleue de surface, probablement en relation avec l’augmentation des évènements extrêmes de précipitation. Ce travail a permis de réaliser une analyse des variations de la plupart des composantes du cycle hydrologique à l’échelle d’un bassin versant, confirmant l’importance de prendre en compte toutes ces composantes pour évaluer l’impact des changements climatiques et plus largement des changements environnementaux sur la ressource en eau.

Etude pilote des apports en contaminants par la Seine : niveaux de contamination, variations saisonnières et flux d'éléments traces a poses en 1990 et 1991

Le présent rapport constitue une première présentation des résultats de l'Etude pilote des apports en contaminants par la Seine. Il est consacré aux métaux et à l'arsenic et traite de leurs niveaux de concentration, de leurs variations saisonnières et des flux à l'estuaire. Il comporte des fiches-annexes qui contiennent les méthodes de prélèvement, de filtration et de dosage ainsi que des résumés des résultats. A partir des conclusions, des recommandations sont faites quant aux méthodes à privilégier pour tirer les meilleurs enseignements du suivi des contaminants métalliques et de l'arsenic à la limite amont de l'estuaire de la Seine. Les données contenues dans ce rapport ont été produites par la Cellule de lutte contre la pollution (Service de navigation de la Seine), le laboratoire Chimie des contaminants et modélisation (IFREMER) et le Laboratoire municipal et régional de Rouen.

Mise en comparaison de deux méthodes d'évaluation environnementale territoriale pour en évaluer les forces, faiblesses et les complémentarités : l'analyse de flux de matières Eurostat et l'analyse de cycle de vie territoriale

La réalisation de l’évaluation environnementale, en France, est encouragée par l’existence de règlements, lois, directives et normes Européennes (notamment la Directive 2001/42/CE du Parlement européen et du Conseil du 27 juin 2001 relative à l'évaluation des incidences de certains plans et programmes sur l'environnement et la Loi n° 2015-992 du 17 août 2015 relative à la transition énergétique pour la croissance verte). La compréhension du cadre Drivers – Pressures – State – Impacts – Responses permet de replacer les différentes méthodologies dans un cadre conceptuel plus large. Les méthodes d’analyse de flux de matières (Pressures) et d’analyse de cycle de vie (Impacts) sont les deux familles d’évaluation environnementale considérées dans ce travail. C’est plus précisément l’analyse de flux de matières selon Eurostat et l’analyse de cycle de vie territoriale qui ont été appliquées au territoire métropolitain d’Aix-Marseille-Provence. Un état de l’art relevant les études dans lesquelles sont réalisées des analyses de flux de matières a pu montrer que cette famille de méthodes informe sur le métabolisme des territoires à partir de différents types de flux. L’importance des flux indirects et des ressources minérales dans les métabolismes a ainsi été démontrée. Du côté des études analysant les cycles de vie sur les territoires, comme c’est le cas dans l’analyse de cycle de vie territoriale, la distinction faite entre les impacts et dommages, directs ou globaux, permet d’offrir des recommandations ciblées, améliorant la qualité de vie des citoyens. La mise en œuvre de ces deux méthodes sur le territoire métropolitain a mis en évidence l’importance dominante des flux indirects liés aux importations et exportations que génèrent les activités du territoire, elles-mêmes fortement influencées par la présence du port de Marseille-Fos. L’activité pétrochimique, qui caractérise elle aussi la métropole, est une grande consommatrice de combustibles fossiles, ce qui se reflète dans les volumes de flux calculés et leurs impacts associés. Les deux méthodologies s’avèrent complémentaires, chacune ayant ses forces et faiblesses respectives. Pour l’analyse de cycle de vie, la pensée cycle de vie et la prise en compte de la qualité de la matière, d’une part, et la facilité d’application et la marge d’erreur réduite de l’analyse de flux de matières, d’autre part, en plus de leurs résultats complémentaires, justifient un usage hybride pour la prise d’actions ciblées. En effet, la collecte commune des données rend intéressante leur exploitation et l’interprétation croisée de leurs résultats.

Bases génétiques de la différenciation adaptative en milieu anthropisé chez Macoma balthica, un bivalve marin à fort flux génique

Dans un contexte environnemental anthropisé, fragmenté et soumis à un changement climatique rapide, l’appréhension des processus d'adaptation locale des organismes marins par l'étude de zones de contact entre taxa proches constitue une approche privilégiée. Dans ces zones, des génotypes hybrides persistent malgré un état de maladaptation liée à des incompatibilités génétiques endogènes et/ou des barrières exogènes. L'histoire biogéographique complexe de la telline baltique Macoma balthica fait émerger quatre zones hybrides européennes, dont l'une, localisée autour de la Pointe Finistère (France), est le résultat d’un contact entre deux stocks génétiques ayant divergé en allopatrie. Ces divergences sont susceptibles de rompre la coadaptation entre génomes nucléaire et mitochondrial en raison de l'émergence d'incompatibilités mitonucléaires (MNIs). Ainsi, les sous-unités protéiques des cinq complexes de la chaine OXPHO sont codées à la fois par des gènes nucléaires et mitochondriaux, et une coévolution intergénomique étroite est requise pour maintenir la production énergétique cellulaire. De précédentes données de transcriptomique dévoilent de probables MNIs chez M. balthica au niveau des complexes respiratoires I et V, Afin d’apporter des éléments de compréhension aux mécanismes de maintien des zones hybrides dans un contexte de pression anthropique, le présent travail se propose de tester l'hypothèse de putatives MNIs dans cette zone de contact. Pour cela, (i) six mitogénomes correspondant à cinq lignées haplotypiques divergentes en Europe ont été séquencés et l'architecture génomique a été étudiée conjointement à une cartographie des mutations des 13 gènes mitochondriaux, (ii) le niveau de transcription de 5 gènes nucléaires et 8 gènes mitochondriaux (complexe I à V) des individus hybrides a été comparé à celui des lignées parentales après détermination du statut d'hybridation de chaque individu (six populations françaises). A défaut d'apporter des éléments de réponses concrets quant à l'existence de MNIs chez M. balthica, et ses répercussions évolutives en terme de dépression d'hybridation, ce travail constitue un tremplin vers une étude approfondie de la zone hybride française en développant de nouveaux outils moléculaires, et de solides techniques expérimentales pour la conduite de futurs croisements artificiels.

Aperture effects on the oxygen abundance determinations from Califa data

This paper aims to provide aperture corrections for emission lines in a sample of spiral galaxies from the Calar Alto Legacy Integral Field Area Survey (CALIFA) database. In particular, we explore the behavior of the log([O III] λ5007/Hβ)/([N II] λ6583/Hα) (O3N2) and log[N II] lambda 6583/Hα (N2) flux ratios since they are closely connected to different empirical calibrations of the oxygen abundances in star-forming galaxies. We compute the median growth curves of Hα, Hα/Hβ, O3N2, and N-2 up to 2.5R(50) and 1.5 disk R-eff. These distances cover most of the optical spatial extent of the CALIFA galaxies. The growth curves simulate the effect of observing galaxies through apertures of varying radii. We split these growth curves by morphological types and stellar masses to check if there is any dependence on these properties. The median growth curve of the Hα flux shows a monotonous increase with radius with no strong dependence on galaxy inclination, morphological type, and stellar mass. The median growth curve of the Hα/HβH ratio monotonically decreases from the center toward larger radii, showing for small apertures a maximum value of ≈10% larger than the integrated one. It does not show any dependence on inclination, morphological type, and stellar mass. The median growth curve of N-2 shows a similar behavior, decreasing from the center toward larger radii. No strong dependence is seen on the inclination, morphological type, and stellar mass. Finally, the median growth curve of O3N2 increases monotonically with radius, and it does not show dependence on the inclination. However, at small radii it shows systematically higher values for galaxies of earlier morphological types and for high stellar mass galaxies. Applying our aperture corrections to a sample of galaxies from the SDSS survey at 0.02 ≤ z ≤ 0.3 shows that the average difference between fiber-based and aperture-corrected oxygen abundances, for different galaxy stellar mass and redshift ranges, reaches typically to ≈11%, depending on the abundance calibration used. This average difference is found to be systematically biased, though still within the typical uncertainties of oxygen abundances derived from empirical calibrations. Caution must be exercised when using observations of galaxies for small radii (e.g., below 0.5 R_eff) given the high dispersion shown around the median growth curves. Thus, the application of these median aperture corrections to derive abundances for individual galaxies is not recommended when their fluxes come from radii much smaller than either R_50 or R_eff.

Influence des conditions hydrométéorologiques sur les flux et bilans sédimentaires en estuaire de Seine

La dynamique sédimentaire à l’embouchure de l’estuaire de Seine est principalement contrôlée par les forçages hydrométéorologiques (débit, vent, vagues, marée) et les fortes pressions anthropiques (endiguement, dragage, clapage). La compréhension et la quantification de la dynamique des flux sédimentaires en suspension (sable/vase) est un enjeu majeur, autant d’un point vu écologique (ex. turbidité, envasement) que financier (ex. gestion des chenaux de navigation). La mise en place de réseaux de mesure in situ permet une meilleure compréhension de la dynamique sédimentaire de l’estuaire, mais leur caractère local rend difficile toute estimation des flux et bilans sédimentaires. Pour répondre à ces questions, cette étude s’appuie sur la modélisation numérique, validée par de nombreuses séries de mesures in situ, afin de quantifier les flux et bilans sédimentaires à différentes échelles caractéristiques de temps et d'espace. Les concentrations simulées dans la zone d'extension du bouchon vaseux sont du même ordre que les observations et leur dynamique associée aux différentes phases et cycles de la marée, ainsi qu'au cycle hydrologique, est satisfaisante. L’analyse des flux résiduels et bilans sédimentaires aux échelles annuelle et trimestrielle a permis d’identifier un schéma de circulation à l’embouchure de l’estuaire et de quantifier l’importance du forçage hydrologique (crue/étiage) sur les échanges sédimentaires. Enfin, ce travail se poursuivra par l’étude de ces flux et bilans pour différents scénarios hydrométéorologiques contrastés.