Reconstruire l'histoire d'accrétion de la Voie Lactée par l'étude de son système d'amas globulaires et de ses étoiles de champ

Reconstructing the accretion history of the Milky Way through the study of its globular cluster system and its field stars"

• Auteur / Autrice : Ingrid Jean-Baptiste
• Direction : Ana Gómez, Paola Di Matteo, Misha Haywood
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Astronomie et Astrophysique
• Date : Soutenance le 22/09/2016
• Etablissement(s) : Paris Sciences et Lettres (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Astronomie et astrophysique d'Île-de-France (Meudon, Hauts-de-Seine ; 1992-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Galaxies, Etoiles, Physique, Instrumentation (Paris) - Galaxies- Etoiles- Physique- Instrumentation / GEPI
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Observatoire de Paris (1667-....)
• Jury : Président / Présidente : Didier Pelat
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Ana Gómez, Paola Di Matteo, Misha Haywood, Rodrigo Ibata, Yves Revaz, Francesca Figueras, Roberto Capuzzo-Dolcetta
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Rodrigo Ibata, Yves Revaz

Mots clés

Mots clés contrôlés

Étoiles -- Populations

Accrétion (astrophysique)

Cinématique

Galaxies -- Évolution

Voie lactée

Mots clés libres

Galaxie

Populations stellaires

Cinématique

Evolution Galactique

Galaxy

Stellar populations

Kinematics

Galaxy evolution

Résumé

Cette thèse a pour objectif de contribuer à comprendre l'histoire de formation de notre Galaxie, la Voie lactée, en utilisant pour traceurs des objets parmi les plus vieux de l'univers que sont les amas globulaires, amas d'étoiles denses liées gravitationnellement, et les étoiles de champ.Selon le modèle de croissance hiérarchique des structures, les galaxies se construisent, en partie, par la fusion de galaxies moins massives. La Voie lactée ne fait pas exception et l’histoire de ses accrétions peut se lire également dans sa population d’amas globulaires qui contient à la fois des amas globulaires formés en son sein et d'autres d'origine extragalactique. Si les amas globulaires les plus distants du centre Galactique sont souvent associés au halo externe, dans les régions plus internes, où se situe la plupart de la masse stellaire de notre Galaxie, l'association d'amas globulaires avec les populations stellaires est encore très largement débattue.Dans ce travail, nous utilisons le lien étroit entre les amas globulaires et les étoiles de champ ainsi que des simulations numériques pour tenter de lever l'ambiguïté sur l'origine in situ ou accrétée de ces objets et reconstruire l'histoire d'accrétion de la Voie Lactée. Dans un premier temps, nous étudions la distribution spatiale, la cinématique et l'abondance chimique des amas globulaires à forte métallicité. Nous montrons que leurs propriétés spatiales, dynamiques et chimiques sont en bon accord avec celles de la population stellaire du disque épais de la Galaxie. Nous suggérons alors une époque commune de formation et d'évolution entre les amas globulaires riches en métaux et le disque épais vieux de la Galaxie. Dans un second temps, nous analysons l'efficacité des diagnostiques cinématiques qui ont été proposés pour identifier les débris d'accrétion parmi les étoiles de champ et nous discutons leurs applications aux amas globulaires galactiques. Pour ce faire, nous utilisons des simulations numériques auto-consistantes qui modélisent l'accrétion d'une ou plusieurs galaxies satellites dans un potentiel galactique. Nous montrons, d'une part, que les intégrales du mouvement ne sont pas conservées durant le processus d'accrétion et qu'ainsi, à l'issue de la fusion, les étoiles et les amas globulaires accrétés ne retiennent pas l'information initiale sur les propriétés orbitales de leurs satellites progéniteurs. D'autre part, l’interaction avec des galaxies satellites chauffe les populations in situ (étoiles et amas globulaires) qui, en réaction, peuplent spatialement le halo galactique et les régions préférentiellement occupées par des objets d'origine extragalactique dans les espaces cinématiques.En conséquence, ce travail montre que, dans le contexte de l'arrivée des données Gaia, l’identification des débris d’accrétion au sein de la Voie lactée à l’aide des seuls diagnostiques cinématiques sera difficile, et nécessitera l’utilisation de mesure d’abondances chimiques détaillées.

The goal of this thesis is to contribute to understand the formation history of our Galaxy, the Milky Way, using as tracers some among the oldest objects in the universe, the globular clusters, and field stars.In the LambdaCDM paradigm, one of the main mechanisms of galaxy growth is by means of satellite accretion. The Milky Way is no exception and the history of its accretions can be read also in its population of globular clusters, containing both in-situ and accreted members. While for clusters at large distances from the Galactic centre an extragalactic origin is often proposed, in the inner regions, where most of the stellar mass of our Galaxy lies, the link between globular clusters and stellar populations is still very widely debated.In this work, we use the close link between globular clusters and field stars, as well as numerical simulations, to try to remove the ambiguity on the in-situ or accreted origin of these objects and to reconstruct the accretion history of the Milky Way. As a first step, we study the spatial distribution, kinematics and chemical abundances of metal-rich ([Fe/H] > -1) globular clusters. We show that their spatial, kinematic and chemical properties are in good agreement with those of the stellar population of the thick disk of the Galaxy. We then suggest that metal-rich globular clusters and Galactic thick disk share the same epoch of formation and evolution. Secondly, we analyze the overall efficiency of kinematic diagnostics that have been proposed to identify merger debris among the field stars and discuss their application to the galactic globular cluster system. To do this, we use self-consistent numerical simulations that model the accretion of one or more satellite galaxies in a Milky Way-like potential. On the one hand, we show that the integrals of motion are not conserved during the accretion process. As a result, after the merger, accreted stars and globular clusters do not retain the initial information about the orbital properties of their progenitor satellites. On the other hand, mergers of small galaxies and tidal interactions may cause the heating of the in-situ populations (stars and globular clusters) which, in response, populate the galactic halo and the regions in the kinematic spaces preferentially occupied by objects with an extragalactic origin.In the context of the arrival of Gaia data, this work shows that the identification of debris of past accretion events experienced by the Milky Way using only kinematic diagnostics will be extremely challenging. Detailed chemical abundances and/or ages will be fundamental to disentangle the accreted or in-situ nature of the Galactic stellar populations.