Distribution tridimensionnelle du gaz et des poussières interstellaires dans la galaxie: travaux préparatoires dans la perspective des résultats de Gaia

The 3D distribution of interstellar gas and dust in the galaxy : Gaia-related preparatory work

• Auteur / Autrice : Lucky Puspitarini
• Direction : Rosine Lallement
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Astronomie et astrophysique
• Date : Soutenance en 2014
• Etablissement(s) : Observatoire de Paris (1667-....)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Astronomie et astrophysique d'Île-de-France (Paris ; 1992-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Galaxies, Etoiles, Physique, Instrumentation (Paris ; 2002-2024)
• Jury : Président / Présidente : Jacques Le Bourlot
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Rosine Lallement, Ariane Lançon, Paolo Molaro
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Ariane Lançon, Paolo Molaro

Mots clés

Mots clés contrôlés

GAIA (satellite artificiel)

Spectroscopie

Matière interstellaire

Résumé

Les observations en émission à de multiples longueurs d'onde du milieu (ou de la matière) interstellaire (MIS) produisent des cartes à deux dimensions (des images) de très haute qualité et résolution, mais elles manquent d'informations sur la distance. Il est donc plus difficile d'interpréter et de modéliser la structure et l'évolution du MIS à partir de ces cartes. Une des techniques permettant d'obtenir des distributions tridimensionnelles du MIS est l'inversion de mesures individuelles d'absorption ou de mesures d'extinction le long de lignes de visée vers des étoiles situées à des distances différentes et connues. Pour construire une base de données d'absorption interstellaire à partir d'un grand nombre de spectres stellaires, des outils d'analyse spectrale automatiques sont indispensables. Le travail de cette thèse a consisté à préparer ces outils automatiques. Ces outils sont adaptés aux différents traceurs interstellaires, par exemple les raies du NaI, CaII, ou les bandes interstellaires diffuses (DIBs). Ils sont adaptés aussi aux différents types d'étoiles, chaudes ou froides. De plus, nous avons développé des méthodes d'analyse globale qui permettent d'ajuster différent traceurs simultanément et de les lier les uns aux autres. Ils peuvent donc permettre d'étudier leur relations et de dériver leur cinématique en une seule fois. Gaia est une mission spatiale de l'Agence Spatiale Européenne (ESA) qui a été lancée le 19 décembre 2013. Elle va révolutionner nos connaissances sur la structure et l'histoire de la galaxie, mais aussi du milieu interstellaire. Elle va mesurer de maniére précise la position des étoiles, ce qui va considérabelement améliorer la précision des futures cartes obtenues par inversion. Elle va également fournir des données spectroscopiques, en particulier de la bande diffuse à 8620 \AA\ (Gaia DIB), et augmenter la base de données pour les cartes en 3D. Elle va aussi fournir des mesures d'extinction vers un très grand nombre d'étoiles qui pourront être inversées. Une grand relevé d'observations spectroscopiques sol complémentaires en support à Gaia (Gaia-ESO Survey, GES) produit et va produire des mesures d'absorption supplémentaires qui seront disponibles pour les inversions. Les outils développés pendant la thèse ont été appliquées aux premières données spectroscopiques de GES. De plus, ils ont été testés et appliqués à différentes données spectroscopiques: TBL/NARVAL, OHP1. 93m/ELODIE, VLT/FLAMES, ESO2. 2m/FEROS, et du projet GOSSS (Galactic O stars Spectroscopic Survey). Ce sont des spectres d'étoiles distribuées dans tout le ciel, e. G, vers la LoopI/NPS, ou en direction d'objets specifiques: l'amas globulaire M4, la nébuleuse de la Carène, les amas ouverts NGC 4815 et gamma-Vel, les champs du satellite CoRoT, et le disque interne ou le bulbe. Nous avons montré que les DIBs peuvent tracer la distribution du MIS et sa cinématique, en particulier tracer les bras Galactiques. Les vitesses radiales des DIBs sont en accord avec celle des raies d'emission du HI et les vitesses des raies d'absorption du gaz, e. G. , NaI. Finalement, nous avons testé le code d'inversion au moyen d'une base de données simulées, pour optimiser la reconstitution de cette distribution. Les cartes du MIS en 3D sont utiles, non seulement pour décrire la distribution du MIS, mais aussi pour comprendre les conditions physiques et chimiques du MIS. Les nouvelles cartes en 3D font apparaitre clairement la ceinture de Gould, la Bulle Locale (LB) et les cavités voisines. En comparant avec la carte de l'émission diffuse en rayons X mous, nous avons pu estimer la pression du gaz chaud dans la Bulle Locale.

Multi-wavelength observations in emission of interstellar medium or matter (ISM) are providing increasingly detailed maps. Unfortunately, precise information on distances to the emitting clouds is still lacking. This leads to difficulties in interpreting and modeling ISM distribution and evolution. One way to obtain three-dimensional (3D) descriptions of the ISM, which comprise direction and distance information, is to record a large set of individual absorption measurements or reddening measurements toward target stars at various known distances and directions. These line-of-sight data give hints about the distribution of matter relative to the target star, and the inversion of these measurements using a robust tomographic method can provide the spatial distribution of the ISM. 3D ISM maps are a potential tool of wide use, but accurate and detailed maps are still lacking because absorption data are still limited and information of distances to the target stars are lacking or uncertain. The situation will greatly improve thanks to current and future massive stellar surveys from ground, and to the Gaia mission. Extracting interstellar (IS) absorption data from a large number of stellar spectra requires automated tools. Some of the works presented in this thesis contribute to the preparation of these tools. The tools are adapted to different IS tracers, such as NaI lines, CaII lines, and diffuse interstellar bands (DIBs). Despite their unknown carriers, DIBs are a promising tool to trace IS clouds, in particular at large distances as they are not easily saturated. IS lines or bands are usually extracted from early-type star spectra because of their smooth and easily fitted continua. However, early-type stars are a small fraction of the potential targets. The mean distance between them is too large to allow a good spatial resolution for the ISM mapping. Recently, progress was made on the extraction of IS tracers from late-type star spectra, in particular using a synthetic stellar spectrum. The spectral analysis tools are therefore adapted to different stellar spectrum types, early- or late-type star. Furthermore, we have developed a global analysis to fit multiple tracers simultaneously, allowing us to understand their relationships and to derive their kinematic information at the same time. Gaia is a mission of the European Space Agency (ESA) which was recently launched on 19th December 2013. Not only it will revolutionize our knowledge of the structure and the history of our Galaxy, but also of the distribution of ISM. It will provide precise distances which will greatly improve the constraints during the inversion. It will also provide spectroscopic data allowing the study of a particular DIB at 8620 \AA\ (Gaia DIB), providing more IS absorption data, and also photometric and spectroscopic information on a billion stars allowing accurate estimates of the extinction. Apart from the satellite, a support survey mission with a high-resolution ground-based spectrograph, the Gaia-ESO Spectroscopic Survey (GES), will provide a large number additional new IS absorption data that will be available for the 3D ISM maps. In this thesis, our spectral analysis tools were tested and applied to GES data and to various spectroscopic data from the TBL/NARVAL, OHP 1. 93 m/ELODIE, and ESO 2. 2 m/FEROS instruments, and from the GOSSS (Galactic O stars Spectroscopic Survey) project. The target stars are widely distributed in the sky, e. G. , in southern sky, in high-latitude Galactic HI shells, and in the direction of specific objects, e. G. , the M4 cluster, the Carina nebula, the NGC 4815 and gamma-Vel open clusters, and various fields like the CoRoT fields, the Galactic inner-disk or the bulge. Our results show that DIBs can trace the ISM distribution and kinematics at the Galactic scale. They can be used to trace the Galactic arms. Radial velocities of the DIBs were found in agreement with HI emission spectral features and gaseous IS NaI lines velocities. Finally, we tested the inversion method using simulated data and the reconstruction of the distribution. We also showed that 3D ISM maps are useful in many respects, not only in describing ISM distribution, but also helping to understand the physical and chemical conditions in the ISM. For example, our most recent 3D ISM map helps describing Gould Belt properties, nearby cavities or bubbles, and especially determining Local Bubble (LB) properties owing to the comparison with soft X-ray emission maps.