Les courants stellaires pour l'archéologie galactique et cosmique

Stellar streams for Galactic and cosmic archaeology

• Auteur / Autrice : Salvatore Ferrone
• Direction : Paola Di Matteo, Marco Montuori
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Astronomie et astrophysique
• Date : Soutenance le 13/10/2025
• Etablissement(s) : Université Paris sciences et lettres en cotutelle avec Consiglio Nazionale delle Ricerche. Istituto dei sistemi complessi
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Astronomie et astrophysique d'Île-de-France (Paris ; 1992-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'Instrumentation et de Recherche en Astrophysique
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Observatoire de Paris (1667-....)
• Jury : Président / Présidente : Françoise Combes
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Paola Di Matteo, Marco Montuori, Anna Lisa Varri, Jorge Penarrubia, Eugene Vasiliev, Raffaella Schneider, Christian M. Boily
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Anna Lisa Varri, Jorge Penarrubia
• DOI : 10.70675/66850a27z9d4fz4316zbbb7z7e0c3cba7cb8

Mots clés

Mots clés contrôlés

Voie lactée

Étoiles -- Amas globulaires

Matière noire (astronomie)

Effets de marées

Mots clés libres

Voie Lactée

Amas globulaires

Courants stellaires

Matière noire

Dynamique galactique

Forces de marée

Milky Way

Globular Clusters

Stellar Streams

Dark Matter

Galactic Dynamics

Tidal Forces

Résumé

La mission astrométrique Gaia a permis l'étude à grande échelle des étoiles et des sous-structures galactiques. Environ 160 amas globulaires (AG) de la Voie lactée, chacun contenant de centaines de milliers à plusieurs millions d'étoiles, peuvent désormais être caractérisés par des distances, des mouvements propres, des vitesses radiales, des masses et des tailles précises. Parallèlement, le nombre de courants stellaires connus est passé d'environ 60 au début de cette thèse à plus de 120 aujourd'hui. Comme les courants tracent les orbites de leurs progéniteurs, ils constituent d'excellents sondages du potentiel gravitationnel de la Voie lactée et des perturbations induites par la matière noire. Grâce à ces données, nous avons étudié le système des courants stellaires et des amas globulaires galactiques. J'ai développé le code open-source tstrippy, qui modélise la perte d'étoiles d'amas par effet de marée via le problème restreint à trois corps. Dans ce cadre, nous prédisons la distribution des débris de marée de tous les AG galactiques et réalisons des simulations du courant de Palomar 5, en montrant la formation de ''gaps'' dus aux passages proches d'autres amas globulaires. Nous présentons les premières prédictions globales des débris de marée de tous les AG de la Voie lactée. Ces simulations sont accessibles publiquement et utilisées par la communauté. Dans l'étude suivante, nous quantifions la fréquence et l'ampleur des rencontres d'amas globulaires perturbant Palomar 5, montrant que ces interactions doivent être prises en compte pour éviter les faux positifs dans les recherches de sous-halos de matière noire. Nous démontrons également que la présence, dans la même région d'un courant, de populations d'étoiles perdues à différents moments, peut réduire la persistance des gaps, diminuant la sensibilité des courants aux perturbations externes. Ce travail établit la distribution attendue des courants stellaires des AG galactiques et quantifie l'importance des perturbations induites par les AG sur Palomar 5. C'est une première étape pour distinguer l'origine des perturbations des courants, étudier la dynamique interne et l'évolution des amas globulaires, et contraindre le potentiel gravitationnel de la Voie lactée dans sa partie visible et noire.

The Gaia astrometric mission has enabled large-scale studies of stars and Galactic substructures. About 160 Milky Way globular clusters (GCs), each with hundreds of thousands to millions of stars, can now be characterized via accurate distances, proper motions, radial velocities, masses, and sizes. Meanwhile, known stellar streams have grown from about 60 at the start of this thesis to over 120 today. Because streams trace progenitor orbits, they provide excellent probes of the Milky Way's gravitational potential and dark matter perturbations. Enabled by this data, we studied the Galactic stellar stream and globular cluster system. I developed the open-source code tstrippy, which models tidal stripping of cluster stars via the restricted three-body problem. Using this framework, we predicted the distribution of tidal debris from all Galactic GCs and ran targeted simulations of Palomar 5's stream, finding that ``gaps'' can be generated by GC flybys. We present the first global predictions of tidal debris from all Milky Way GCs. These simulations are publicly available and used by the community. In a follow-up study, we quantified the frequency and range of GC encounters perturbing Palomar 5, showing such interactions must be considered to avoid false positives in dark matter subhalo searches. We also showed that the presence, in a given region of the stellar stream, of populations of stars lost at different times can reduce gap persistence, lowering stream sensitivity to external perturbations. This work establishes the expected distribution of tidal streams from Galactic GCs and quantifies the rate at which GCs perturb Palomar 5. It provides a foundation for disentangling the origins of stream perturbations, studying the internal dynamics and evolution of globular clusters, and constraining the Milky Way's gravitational potential in both visible and dark matter.