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Etude des propriétés chimiques des Etude des propriétés chimiques des composantes cinématiques du disque composantes cinématiques du disque galactique. galactique. Méthode de détermination automatique Méthode de détermination automatique des paramètres stellaires. des paramètres stellaires. Pascal Girard Soutenance de thèse Directrice de thèse : C. Soubiran Allocataire de recherche Moniteur à Bordeaux 1 11 décembre 2006

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Page 1: Etude des propriétés chimiques des composantes cinématiques du disque galactique. Méthode de détermination automatique des paramètres stellaires. Pascal

Etude des propriétés chimiques des composantes Etude des propriétés chimiques des composantes cinématiques du disque galactique.cinématiques du disque galactique.

Méthode de détermination automatique des Méthode de détermination automatique des paramètres stellaires.paramètres stellaires.

Pascal Girard

Soutenance de thèse

Directrice de thèse : C. Soubiran

Allocataire de rechercheMoniteur à Bordeaux 1 11 décembre 2006

Page 2: Etude des propriétés chimiques des composantes cinématiques du disque galactique. Méthode de détermination automatique des paramètres stellaires. Pascal

Plan de la soutenance

Contexte général

Compilation et analyse des propriétés chimiques du disque

Le code TGMETméthode de détermination automatique

Application à un grand échantillon de spectres stellaires

Conclusions et perspectives

Page 3: Etude des propriétés chimiques des composantes cinématiques du disque galactique. Méthode de détermination automatique des paramètres stellaires. Pascal

Description générale de la galaxie

Page 4: Etude des propriétés chimiques des composantes cinématiques du disque galactique. Méthode de détermination automatique des paramètres stellaires. Pascal

Les populations stellaires

Elles peuvent se caractériser par leur :- distribution spatiale- distribution cinématique- composition chimique

Leurs propriétés nous renseignent sur :- Les mécanismes de la formation de la Voie lactée(Effondrement de nuages de gaz, mergers…)

- et son évolution au cours du temps (Taux de formation stellaire, enrichissement du milieu interstellaire…)

Page 5: Etude des propriétés chimiques des composantes cinématiques du disque galactique. Méthode de détermination automatique des paramètres stellaires. Pascal

Les populations stellaires

U

W

V vers centre galactique

au plan galactique

sens de rotation galactique[Fe/H], [/Fe]

Échelle de hauteur & longueur, densité

Ellipsoïde des vitesses :<(U,V,W)> et U,V,W

Vitesses par rapport au LSR

Distribution spatiale :

Distribution cinématique

Composition chimique

Page 6: Etude des propriétés chimiques des composantes cinématiques du disque galactique. Méthode de détermination automatique des paramètres stellaires. Pascal

Formation des éléments chimiques

Les rapports d’abondances nous renseignent sur la chronologie des évènements pendant la

formation de la Voie Lactée

Les éléments - Etoiles massives (courte durée de vie, qques centaines de Ma)

- Capture de particules , supernovae de type II : SN II

-O, Mg, Si, Ca, Ti…

Les éléments du pic du Fer- Etoiles de faible masse (longue durée de vie, qques Ga)- Explosion de supernovae de type Ia : SN Ia-Fe, Cr, Ni, Zn, Co…

Page 7: Etude des propriétés chimiques des composantes cinématiques du disque galactique. Méthode de détermination automatique des paramètres stellaires. Pascal

Les mesures d’abondances

Les méthodes classiques, primaires :- Basées sur la mesure des largeurs équivalentes des raies

- Limitées aux spectres à haute résolution et haut S/N : temps de pose long

- Ne permettent pas d’analyser de grands volumes de spectres

Les méthodes automatiques sont calibrées avec les méthodes classiques Les méthodes primaires et secondaires sont complémentaires

Les méthodes automatiques, secondaires :- Traiter de très grands volumes de spectres

- Possibilité de traiter des spectres à basse résolution

- Sondage plus profond

Nécessité de mettre au point des méthodes automatiques

Page 8: Etude des propriétés chimiques des composantes cinématiques du disque galactique. Méthode de détermination automatique des paramètres stellaires. Pascal

Les composantes cinématiques de notre Voie Lactée

Le disque mince

Le disque épais

Le halo

Les « Moving groups »

Page 9: Etude des propriétés chimiques des composantes cinématiques du disque galactique. Méthode de détermination automatique des paramètres stellaires. Pascal

Les composantes cinématiques de notre Voie Lactée

Le disque mince

- Orbites circulaires et aplaties.

- Vitesse de rotation moyenne proche de celle du Soleil (V ~ 220 km/s).

- Distribution de l’âge mal connue, très étendue, jusqu’à 8 Ga

- Métallicité moyenne [Fe/H] ~ 0.0 dex

disque mince bulbe

Page 10: Etude des propriétés chimiques des composantes cinématiques du disque galactique. Méthode de détermination automatique des paramètres stellaires. Pascal

Les composantes cinématiques de notre Voie Lactée

Le disque épais- Mise en évidence par Gilmore & Reid (1983)

- Vitesse de rotation inférieure à celle du disque mince (V ~ 170 km/s)

- Métallicité moyenne : -0.7 ≤ [Fe/H] ≤ -0.5 dex

- Age moyen estimé à ~ 10 Ga.

- Enrichissement en éléments

disque épais

Page 11: Etude des propriétés chimiques des composantes cinématiques du disque galactique. Méthode de détermination automatique des paramètres stellaires. Pascal

Les composantes cinématiques de notre Voie Lactée

Le halo

- Orbites inclinées, excentriques.

- Pas de mouvement d’ensemble cohérent

- Faible densité d’étoiles par rapport au disque.

- Métallicité moyenne de [Fe/H] ~ -1.5 dex

- Etoiles vieilles, âge > 12 Ga.

- Enrichissement en éléments

halo

Page 12: Etude des propriétés chimiques des composantes cinématiques du disque galactique. Méthode de détermination automatique des paramètres stellaires. Pascal

Les composantes cinématiques de notre Voie Lactée

Cinématique intermédiaire aux deux disques

Confusion possible avec des étoiles

des disques mince et épais Large éventail d’âge et de métallicité La barre galactique centrale serait à

l’origine de ce courant (Famaey et al. 2004)

Les « moving groups » (courants d’étoiles)Origines dynamique ou extra-galactique

Le courant d’Hercule :(Famaey et al. 2004)

Page 13: Etude des propriétés chimiques des composantes cinématiques du disque galactique. Méthode de détermination automatique des paramètres stellaires. Pascal

Hypothèses de la formation du disque galactique

Effondrement, plus ou moins rapide, du nuage proto-

galactique

(ELS, Sandage 1990, Larson 1976…)

Le disque épais se forme en premier, le disque mince ensuite

Ne prédit pas de discontinuité dans la cinématique des composantes

Page 14: Etude des propriétés chimiques des composantes cinématiques du disque galactique. Méthode de détermination automatique des paramètres stellaires. Pascal

Hypothèses de la formation du disque galactique

Diffusion cinématique des orbites des étoiles du disque

mince

(Norris 1987)

Ne prédit pas de discontinuité dans les propriétés chimiques

La séparation cinématique observée est beaucoup plus importante

Le disque épais se forme à partir du disque mince

Page 15: Etude des propriétés chimiques des composantes cinématiques du disque galactique. Méthode de détermination automatique des paramètres stellaires. Pascal

Hypothèses de la formation du disque galactique

Chauffage du disque mince par des mergers avec des

galaxies satellites naines (Quinn et al 1993, Abadi et al. 2003…)

Le disque mince se forme en premier

Le disque épais est un mélange de débris de

galaxies satellites et d’étoiles du disque mince

Les étoiles des galaxies naines ne montrent pas d’enrichissement en

Page 16: Etude des propriétés chimiques des composantes cinématiques du disque galactique. Méthode de détermination automatique des paramètres stellaires. Pascal

Hypothèses de la formation du disque galactique

Accrétion de structures riches en gaz, formation hiérarchique

(Brook et al. 2004, 2005, 2006)

Pas de débris de galaxies satellites, le disque épais se forme en premier

Prédiction d’une séparation chimique et cinématique

Cependant, il faut plus de prédictions à confronter aux observations

Page 17: Etude des propriétés chimiques des composantes cinématiques du disque galactique. Méthode de détermination automatique des paramètres stellaires. Pascal

Remarques sur les études précédentes

Etudes basées sur de faibles échantillons Pas vraiment représentatif

Méthodes de détermination des abondances sont variées Effet systématiques entre les études

Le courant d’Hercule n’est pas considéré Effets systématiques possibles

Compiler et re-analyser des données existantes

Critères de sélection des échantillons très variés Entraîne des résultats contradictoires ou incertains

Page 18: Etude des propriétés chimiques des composantes cinématiques du disque galactique. Méthode de détermination automatique des paramètres stellaires. Pascal

Construction d’un catalogue

Un catalogue final de ~ 650 étoiles.

Croisement avec le catalogue Hipparcos :

>10 mas et / < 0.10

Compilation des vitesses radiales, calcul des vitesses spatiales et

des paramètres orbitaux

Identification des composantes cinématiques

Compilation et homogénéisation de listes d’étoiles avec des abondances détaillées :Fe, O, Mg, Ca, Ti, Si, Na, Ni et Al

Page 19: Etude des propriétés chimiques des composantes cinématiques du disque galactique. Méthode de détermination automatique des paramètres stellaires. Pascal

Identification des composantes cinématiquesSoubiran & Girard , A&A, 2005

Représentation dans le plan UV :

-Contamination des étoiles du courant d’Hercule dans le disque épais

U

W

V vers centre galactique

au plan galactique

sens de rotation galactique

Page 20: Etude des propriétés chimiques des composantes cinématiques du disque galactique. Méthode de détermination automatique des paramètres stellaires. Pascal

Rapports d’abondances : Les éléments Soubiran & Girard , A&A, 2005

~ - 0.3 dex

Page 21: Etude des propriétés chimiques des composantes cinématiques du disque galactique. Méthode de détermination automatique des paramètres stellaires. Pascal

Rapports d’abondances :

Ni : Distribution plate pour les 3 populations.

Al : Distribution similaire au éléments .

Page 22: Etude des propriétés chimiques des composantes cinématiques du disque galactique. Méthode de détermination automatique des paramètres stellaires. Pascal

La grande dispersion observée pour le courant d’Hercule favorise son origine dynamique.

Age des étoiles de chaque population

Disque mince : une relation Age-Métallicité (AMR) est visible.

Disque épais: <age> = 9.6±0.3 Ga. Une AMR sur 2-3 Ga ?

Page 23: Etude des propriétés chimiques des composantes cinématiques du disque galactique. Méthode de détermination automatique des paramètres stellaires. Pascal

Recherche d’un gradient vertical dans le disque épais

Donne des contraintes sur les scénarios de formation :

Zmax vs [Fe/H] : Pas de gradient vertical.

Etoiles avec [Fe/H] > -0.3 : Différentes du reste (Zmax est inhomogène, est similaire au disque mince) .

formation rapide du disque épais

Page 24: Etude des propriétés chimiques des composantes cinématiques du disque galactique. Méthode de détermination automatique des paramètres stellaires. Pascal

Résultats

Article publié : Soubiran & Girard, A&A, 2005

Meilleures contraintes :

Une AMR dans le disque épais

Pas de gradient vertical dans le disque épais.

Nouveaux faits :

Séparation DM/DE quantifiée : [/Fe]) = +0.10 dex.

Le disque épais est plus vieux de 4 Ga.

Les propriétés du courant d’Hercule favorisent son hypothèse dynamique.

Les étoiles du disque épais à haute métallicité ont des propriétés atypiques

Page 25: Etude des propriétés chimiques des composantes cinématiques du disque galactique. Méthode de détermination automatique des paramètres stellaires. Pascal

Prochaine étape

Pour aller plus loin :

- Nécessité de mettre au point une méthode automatique de détermination des paramètres atmosphériques

TGMET

- Notre catalogue de paramètres atmosphériques nous servira comme référence pour calibrer un tel programme

- Sonder plus loin au dessus du plan galactique- Traiter de grands volumes de données (ELODIE, SDSS…)

Page 26: Etude des propriétés chimiques des composantes cinématiques du disque galactique. Méthode de détermination automatique des paramètres stellaires. Pascal

Adaptation de TGMET (Katz et al. 1998)

Spectre observé (cible) est comparé avec des spectres de référence.

Ajustement des et des flux sur chaque spectre de référence

Estimation du maximum de degré de ressemblance.

TGMETméthodeDétermination de Teff, logg, [Fe/H] et [/Fe]

Ajustement sur un petit intervalle spectral

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Utilisation d’une grille de spectres synthétiques (Barbuy et al. 2003) Offre une bonne couverture de l’espace des paramètres

4000 ≤ Teff ≤ 7000 K

0.5 ≤ logg ≤ 5.0.

-3.0 ≤ [Fe/H] ≤ +0,3

+0,0 ≤[/Fe] ≤+0,4.

TGMETspectres de références

Variation du rapport [/Fe]

Page 28: Etude des propriétés chimiques des composantes cinématiques du disque galactique. Méthode de détermination automatique des paramètres stellaires. Pascal

TGMETrésultats

Détermination de la température effective : Teff

Testé à haute et à basse résolutions

R=42 000

rms : 130 K

Page 29: Etude des propriétés chimiques des composantes cinématiques du disque galactique. Méthode de détermination automatique des paramètres stellaires. Pascal

TGMETrésultats

Détermination de la métallicité : [Fe/H]

Testé à haute et à basse résolutions

R=42 000

rms : 0,13

Page 30: Etude des propriétés chimiques des composantes cinématiques du disque galactique. Méthode de détermination automatique des paramètres stellaires. Pascal

TGMETrésultats

Détermination du rapport [/Fe] :

Testé à haute et à basse résolutions

R=42 000

rms : 0,05

Page 31: Etude des propriétés chimiques des composantes cinématiques du disque galactique. Méthode de détermination automatique des paramètres stellaires. Pascal

TGMETapplication

~2000 spectres échelles ELODIE (@OHP), R=42000

Allure similaire à celle observée dans notre échantillon de référence :

-Chevauchement des deux disques

-Pente à [Fe/H] = -0.3 dex

-Séparation disque mince/épais

-Un groupe d’étoiles du disque mince se distingue à [Fe/H] < -0.6 dex

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TGMETconclusion

~ 2000 spectres ELODIE analysés, R = 42 000

Ouvre la perspective d’analyser de grands volumes de données spectroscopiques (ex : SDSS) Plus d’étoiles et sonder plus loin au dessus du plan galactique !

Démontre l’efficacité de la méthode pour étudier les composantes cinématiques du disque galactique.

Confirme les résultats de Soubiran & Girard (2005)

Article soumis : Girard & Soubiran

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Bilan sur les relations cinématique-abondances

Page 34: Etude des propriétés chimiques des composantes cinématiques du disque galactique. Méthode de détermination automatique des paramètres stellaires. Pascal

Analyse des spectres du SDSS

Le SDSS (Sloan Digital Sky Survey) :

- Spectres à basse résolution, R ~ 2000, 381nm ≤ ≤ 910 nm

-Une fraction de l’échantillon sont des étoiles, le catalogue DR3 contient ~ 70.000 étoiles

- S/N compris entre 4 et 20, 14 ≤ V ≤ 22

- Observation d’un quart du ciel en photométrie et spectrométrie- Informations relatives sur plus d’un milliard de galaxies et quasars

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Traitement des spectres

Sélection en couleur (g - r)- Revient à faire une sélection en température : 5 000 < Teff < 7 000 K

Pré-traitements effectués par Allende Prieto et al. (2006)- Résolution R = 1000, 4400 ≤ ≤ 5500 Å

Environ 14.000 spectres stellaires retenus et analysés.

Le domaine spectral coïncide avec celui des spectres synthétiques TGMET donne des résultats satisfaisants à cette résolution

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Calibration avec les spectres ELODIE

Teff) = 139 K

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Calibration avec les spectres ELODIE

Fe/H = 0.12 dex

/Fe = 0.06 dex

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Analyse des étoiles du SDSS avec TGMET

Coordonnées spatiales, distances et vitesses de rotation obtenues par A06

z > + 8 kpc

z < - 8 kpc

1 < |z| < 3 kpc

halo

halo

Disque épaisz

Page 39: Etude des propriétés chimiques des composantes cinématiques du disque galactique. Méthode de détermination automatique des paramètres stellaires. Pascal

Sélection des échantillons représentatifs de chaque population stellaire

Distribution des étoiles G (5000<Teff<6000 K) et F (6000<Teff<7000 K) de l’échantillon (A06) :

- Faible contamination du halo dans l’échantillon d’étoiles G

étoiles G

étoiles F

- Disque épais : étoiles G avec 1 < |z| < 3 kpc- Halo : étoiles G et F avec |z| > 8 kpc

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Sélection des échantillons représentatifs de chaque population stellaire

[/Fe] en fonction de [Fe/H] :

• 1 : régime du halo

[Fe/H] < - 1.2 dex

G type 5000 K < Teff < 6000 K 1 < |z| < 3 kpc

•2 : régime du disque épais

- 1.2 < [Fe/H] < - 0.4 dex

•3 : régime disque mince/épais

[Fe/H] > - 0.4 dex

21 3

Page 41: Etude des propriétés chimiques des composantes cinématiques du disque galactique. Méthode de détermination automatique des paramètres stellaires. Pascal

Recherche de gradients radiaux et verticaux

Distribution plate pour le halo.

disque épais : G, 1 < |z| < 3 kpc

Halo : G & F, |z| > 8 kpc

Gradient radial négatif en [/Fe] dans le disque épais !!!

contraintes fortes sur la formation du disque épais

Pas de gradient observé en métallicité

Page 42: Etude des propriétés chimiques des composantes cinématiques du disque galactique. Méthode de détermination automatique des paramètres stellaires. Pascal

Recherche de gradients radiaux et verticaux

Pas de gradient vertical en [Fe/H].

Pas de gradient vertical en [/Fe]

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Propriétés du disque épais et du halo

Confirmation de la présence de débris de galaxies satellites dans le halo(faible rapport [/Fe], faible métallicité [Fe/H] ~ -1.5 dex et Vrot ~ 100 Km/s)

disque épaishalo

Page 44: Etude des propriétés chimiques des composantes cinématiques du disque galactique. Méthode de détermination automatique des paramètres stellaires. Pascal

Conclusions sur l’analyse des étoiles du SDSS

Analyse de 14 000 étoiles à basse résolution avec TGMET

- Sondage à plusieurs kpc du plan galactique- Sélection d’échantillons représentatifs du disque épais et du halo

- Nouveaux faits observationnels :

Gradient radial négatif dans le disque épais Présence de débris de satellites dans le halo

Page 45: Etude des propriétés chimiques des composantes cinématiques du disque galactique. Méthode de détermination automatique des paramètres stellaires. Pascal

Résumé :

Compilation de données existantes

- Limitation au voisinage solaire, quelques centaines d’étoiles- Confirmation des propriétés observées avec plus de précision- Meilleures contraintes sur des points controversés et

nouveaux faits observationnels

Méthode automatique TGMET(Teff, logg, [Fe/H] et [/Fe]) :

- Méthode efficace pour étudier les composantes cinématiques du

disque galactique.

- Seule méthode automatique déterminant [/Fe] appliquée à un

grand échantillon

Analyse d’un grand relevé à basse résolution

- Sondage à plusieurs kpc du plan galactique- Nouveaux faits observationnels :

Gradient radial négatif dans le disque épais Présence de débris de satellites dans le halo

Page 46: Etude des propriétés chimiques des composantes cinématiques du disque galactique. Méthode de détermination automatique des paramètres stellaires. Pascal

Perspectives

Analyser de plus grands relevés du ciel- DR5, SEGUE, RAVE, Gaia…

Améliorer les modèles de formation du disque : - Plus de prédictions à confronter avec les observations.

Tester de nouvelles grilles de spectres synthétiques avec TGMET

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Merci