Les âges précis des étoiles à l'ère des grandes missions spatiales Gaia et TESS

Precise ages of stars in the era of large space missions Gaia and TESS

• Auteur / Autrice : Dinil Bose Palakkatharappil
• Direction : Orlagh Creevey
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de la planète et de l'univers
• Date : Soutenance le 17/01/2023
• Etablissement(s) : Université Côte d'Azur
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences fondamentales et appliquées (Nice ; 2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Joseph-Louis Lagrange (Nice, Alpes-Maritimes ; 2012-....)
• Jury : Président / Présidente : Mathias Schultheis
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Orlagh Creevey, Mathias Schultheis, Rafael A. García, Ana Palacios, Rhita-Maria Ouazzani, Armando Domiciano de Souza, Andrea Miglio
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Rafael A. García, Ana Palacios

Mots clés

Mots clés contrôlés

Étoiles -- Amas ouverts

Évolution stellaire

Étoiles -- Structure

Étoiles -- Rotation

Oscillations stellaires

Astérosismologie

Mots clés libres

Astérosismologie

Oscillations

Rotation

Structure et évolution stellaire

Etoiles : âges et paramètres fondamentaux

Amas ouverts et associations

Missions spatiales : TESS, Gaïa

Asteroseismology

Oscillations

Rotation

Stellar structure and evolution

Stars: fundamental parameters

Open clusters and associations

Space missions: TESS, Gaïa

Résumé

Connaître précisément l'âge des étoiles est crucial pour comprendre l'évolution stellaire, des systèmes exoplanétaires et des structures galactiques. Cependant, mesurer l'âge d'une étoile est une tâche très difficile. Deux des techniques les plus prometteuses pour faire avancer cela sont (1) l'astérosismologie, qui est l'étude de la structure interne des étoiles au moyen d'oscillations intrinsèques, et (2) l'analyse des amas stellaires où les étoiles sont formées à partir du même nuage moléculaire. De plus, le diagramme couleur-magnitude de l'amas est un diagnostic fort de l'âge. Les deux techniques, cependant, ont des limitations qui inhibent leur pleine exploitation. Par conséquent, dans ce projet de thèse, nous proposons de fusionner les deux approches pour étudier les étoiles oscillantes dans les amas. Notre objectif est d'explorer dans quelle mesure nous pouvons ainsi affiner les âges des intermédiaires.Ces dernières années, Gaïa a fourni dans tout le ciel des positions et des magnitudes d'étoiles de grande qualité, ce qui permet l'identification de nombreux étoiles membres d'amas et donne une estimation précise des propriétés stellaires. Dans le même temps, des séries temporelles photométriques ininterrompues du satellite TESS offrent une occasion unique de rechercher des étoiles variables dans tous les amas connus observés. La grande taille du pixel de TESS est cependant très sensible au mélange des sources non résolues, qui génère de la confusion des sources, ce qui est important dans les amas stellaires. De plus, les images doivent être traitées avec soin. Afin de répondre à ces problématiques, dans le cadre de ce projet de thèse, nous avons développé un logiciel, tessipack, pour aider à analyser les courbes de lumière de TESS de ces régions denses que sont les amas.Nous exploitons ensuite tessipack pour analyser la variabilité des étoiles dans de nombreux amas en utilisant les données TESS. Nous le faisons en conjonction avec les données Gaïa pour identifier les candidats potentiellement intéressants. Nous nous concentrons ensuite sur deux amas; l'amas lumineux Collinder 69 et l'amas d'âge intermédiaire NGC 2477. Pour ces deux populations, nous identifions de nombreuses nouvelles étoiles variables exploitables et caractérisons leurs spectres de fréquence.Pour complémenter notre analyse observationnelle et pour atteindre l'objectif de ce projet, nous présentons les aspects de modélisation stellaire. Nous décrivons les codes d'évolution stellaire MESA et de pulsation GYRE que nous exploitons pour interpréter les données d'observation. Nous calculons des modèles stellaires, avec et sans rotation, et réalisons une étude de sensibilité à divers paramètres stellaires (masse, âge,.) sur les observations d'amas d'étoiles variables (fréquences, luminosité,..). Nous constatons que pour le cas particulier d'un amas d'âge intermédiaire, connaître la grande séparation de plusieurs étoiles membres est essentiel pour contraindre l'âge de l'amas.Nous combinons ensuite tous nos travaux antérieurs pour mener une analyse approfondie de NGC-2477. Nous utilisons les observations les plus récentes pour affiner les propriétés de l'amas. Puis avec des isochrones, nous obtenons un âge compris entre 0,6 et 1,1 Ga. Nous exploitons ensuite le les donnèes astérosismiques des étoiles variables de type A-F, et utilisons les modèles MESA pour les interpréter. Le résultat est le raffinement de l'âge de l'amas à 1,0 +/- 0,1 Ga. Pour finaliser, en utilisant Gaïa DR3 et la rotation des modèles MESA, nous reproduisons les mesures v sin i observées de l'amas. Il s'agit de l'une des premières analyses de données TESS dans un amas ouvert d'âge intermédiaire.Ces travaux ouvrent plusieurs perspectives de recherches futures, comme l'application des travaux présentés ici à des dizaines d'autres clusters, ou encore l'exploitation des nombreux outils d'analyse développés dans ce thèse pour aider à préparer les futures missions spatiales, comme PLATO ou HAYDN.

Knowing ages of stars precisely is crucial for understanding stellar, exoplanetary and galactic evolution. However, measuring an age of a star is a very difficult task. Two of the most promising techniques to push this forward are (1) asteroseismology, which is the study of the internal structure of stars by means of intrinsic global oscillations, and (2) analysis of stellar clusters where stars are formed from the same molecular cloud at the same time, and the observed colour-magnitude diagram is a strong diagnostic of the cluster age. Both techniques, however, have limitations which inhibit their full exploitation. therefore, in this thesis project, we propose to merge both approaches to study oscillating stars in clusters. Our aim is to explore how well we can refine the ages of intermediate-age clusters. In recent years the Gaia satellite has been providing high-quality positions and magnitudes of stars all over the sky which allows the identification of many cluster members and also enables precise estimation of stellar properties. At the same time, the uninterrupted time-series photometry from the all-sky TESS satellite, provides a unique opportunity to look for variable stars in all known clusters. The large pixel size of TESS is, however, highly susceptible to blending, crowding, and source confusion, which is particularly important in stellar clusters. Moreover, the Full-Frame Images have to be processed carefully to get precise light curves. In order to deal with these issues, as part of this thesis project, we developed a software package, tessipack, to help analyse the light curves from TESS in dense regions like clusters. We then exploit this software to analyse variability in many clusters using TESS data. We do this in conjunction with Gaia data to identify potentially interesting candidates.Wethen focus on two clusters; the bright non-dense cluster Collinder 69, and the intermediateaged NGC 2477. For both of these, we identify many new exploitable variable stars and characterise their frequency spectra. To complement our observational analysis and to reach the goal of this project, we then present the modelling aspects of this work. We describe the MESA stellar evolution and GYRE pulsation codes which we exploit to interpret the observational data. We calculate stellar models, with and without rotation, and conduct a simple sensitivity i study of the impact of various stellar parameters (mass, age, rotation, ...) on the variable star cluster observations (frequencies, luminosity...). We find that for the particular case of an intermediate-aged cluster, knowing the large frequency separation of several member stars is critical for constraining the cluster’s age. We then combine all of our previous work to conduct an in-depth analysis of NGC-2477.We use the most recent spectroscopic, photometric and extinction observations available in the literature to refine the cluster’s observed properties. Then by using isochrones, we obtain a cluster age of between 0.6 to 1.1 Ga. We subsequently exploit the asteroseismic content of the light curves of A-F type variable stars in NGC 2477, and use the MESA models that we calculated to interpret these data. The result is the refinement of the cluster’s age to 1.0 +/- 0.1 Ga. To finalise, using Gaia DR3 data and rotating MESA models, we additionally reproduce the observed v sin i measurements of the cluster. This is one of the first analysis of TESS data in an intermediate-age open cluster. This work opens several prospects for future research, such as the application of the work presented here to tens of other clusters, or even the exploitation of the many analysis tools developed in this work to help prepare future space-based missions, such as PLATO or HAYDN.