CE31 - Physique Subatomique, Sciences de l'Univers, Structure et Histoire de la Terre

Pristine — Sondage des premières étoiles Galactiques – Pristine

Pristine : Sondage des premières étoiles Galactiques

La façon la plus efficace de comprendre l’assemblage de la Voie Lactée en une galaxie disque au cours des premiers milliards d'années de l'âge de l’univers est de rechercher, de cartographier et d’étudier la dynamique des étoiles primordiales qui restent les témoins de cette époque.

Comprendre la formation de notre Voie Lactée au travers de la distribution et des orbites des étoiles les plus anciennes.

Les étoiles de très basse métallicité (moins d’un millième de l’abondance en fer mesurée dans le Soleil) sont aussi les plus anciennes puisqu’il est attendu qu’elles se sont formées durant les deux premiers milliards d’années de l’âge de l’univers. Elles sont cependant très rares (moins d’une étoile sur 1000) et difficiles à isoler dans la masse d’étoiles formées plus tard dans le disque Galactique qui nous entoure. Mais se sont aussi des étoiles qui ont le potentiel de nous informer sur de nombreuses disciplines de l'astronomie : elles peuvent garder en elles les traces des toutes premières étoiles dans leur composition chimique, elles peuvent contraindre le seuil théorique de métallicité et leur orbite sont une fenêtre direct sur la formation de la Voie Lactée. <br /> <br />Le projet Pristine, qui observe une large partie du ciel avec un filtre très étroit, centré sur une partie du spectre stellaire très sensible à la métallicité, fournit une méthode très efficace pour construire un échantillon inégalé d’étoiles primordiales. L’ANR Pristine (~15 chercheurs), qui s’inscrit dans le cadre de la collaboration internationale Pristine (~40 chercheurs) a pour but d’utiliser ce relevé pour étudier les thèmes listés plus haut : Comment s’est assemblée notre Voie Lactée dans son plus jeune âge ? Quelles structures (galaxies naines et amas globulaires) la Voie Lactée a absorbé au cours du temps ? Comment les étoiles primordiales ont enrichi le milieu interstellaire et formé les premier éléments chimiques ?

La collaboration Pristine dont le but est de construire un large échantillon d’étoiles de très basses métallicités. L'idée de départ du relevé est simple mais bénéficie des caractéristiques idéales du Télescope Canada-France-Hawaii (grand champ de vue, télescope accessible, mode service) pour nous donner un avantage significatif dans la construction de cet échantillon qui, à terme, multipliera par un facteur 10 à 100 le nombre d’étoiles connues à des métallicités [Fe/H]<-3.0. Le point de départ du projet consiste à combiner la photométrie d’images grand champ obtenue avec l’imageur MegaCam et son filtre à bande étroite qui se focalise sur les raies du Calcium H&K, très sensibles à la métallicité, avec la photométrie à bande large publique disponible grâce aux relevés SDSS, Pan-STARRS1 ou Gaia. En comparant la magnitude d’une étoile dans la photométrie Ca H&K avec les photométries des bandes larges, nous pouvons inférer la métallicité d’une étoile jusqu’aux très basses métallicités nécessaires pour trouver les étoiles primordiales.
La combinaison de ces données uniques avec les grands relevés photométriques et, surtout, astrométriques (Gaia) nous ouvre une fenêtre sans pareil sur les premières étoiles de la Voie Lactée.

L’analyse de la distribution des étoiles primordiales de la Voie Lactée et, surtout, de leurs propriétés orbitales ont montré qu’un nombre inattendu d’étoiles primordiales ont des orbites qui les placent dans le disque de la Voie Lactée. Théoriquement, il est attendu de ces étoiles orbitent la Voie Lactée de manière aléatoire et non pas dans son disque. Ces travaux, dirigés par le doctorant Federico Sestito, ont un impact important sur notre compréhension de la formation de notre Galaxie et a suscité de nombreuses réactions de la communauté astronomique.
Sestito et al. (2019, MNRAS 484, 2166), Sestito et al. (2020, MNRAS 497L, 7), Sestito et al. (2021, MNRAS 500, 3750)

Notre collaboration avec le grand relevé spectroscopique WEAVE qui implique plusieurs partenaires européens, dont la France, nous assure de pouvoir bientôt construire le plus grand échantillons d'étoiles primordiales jamais assemblé. À partir de ces milliers d'étoiles, combinées aux données du satellite Gaia, nous étudierons l’origine des étoiles primordiales et leverons le voile sur leur assemblage à l’aube de la formation de la Voie Lactée. Grace à l'analyse de la composition chimique de ces étoiles, nous analyserons les traces de la formation des toutes premières étoiles de l'univers, ce qui les différencie des étoiles actuelles, et comment elles ont enrichi l'univers.

Bonifacio, P. et al., 2019, MNRAS 487, 3797. The Pristine survey - V. A bright star sample observed with SOPHIE.

Aguado, David S. et al. 2019, MNRAS 490, 2241. The Pristine survey - VI. The first three years of medium-resolution follow-up spectroscopy of Pristine EMP star candidates.

Starkenburg, Else et al., 2019, MNRAS 490, 5757. The Pristine survey - VII. A cleaner view of the Galactic outer halo using blue horizontal branch stars.

Longeard, Nicolas et al., 2020, MNRAS 491, 356. The Pristine Dwarf-Galaxy survey - II. In-depth observational study of the faint Milky Way satellite Sagittarius II.

Arentsen, A. et al., 2020, MNRAS 491L, 11. The Pristine Inner Galaxy Survey (PIGS) I: tracing the kinematics of metal-poor stars in the Galactic bulge.

Sestito, Federico et al., 2020, MNRAS 497L, 7. The Pristine survey - X. A large population of low-metallicity stars permeates the Galactic disc.

Venn, Kim A. et al., 2020, MNRAS 492, 3241. The Pristine survey - IX. CFHT ESPaDOnS spectroscopic analysis of 115 bright metal-poor candidate stars.

Youakim, K. et al., 2020, MNRAS 492, 4986. The Pristine Survey - VIII. The metallicity distribution function of the Milky Way halo down to the extremely metal-poor regime.

Caffau, E. et al., 2020, MNRAS 493, 4677. The Pristine survey XI: the FORS2 sample.

Arentsen, Anke et al., 2020, MNRAS 496, 4964. The Pristine Inner Galaxy Survey (PIGS) II: Uncovering the most metal-poor populations in the inner Milky Way.

+ 14 autres publications dans des revues internationales de rang A

Les étoiles les plus pauvres en métaux sont aussi les plus anciennes et elles portent en elles les traces des premières supernovae. En tant que telles, elles nous informent sur la première génération d'étoiles, comment celles-ci ont enrichi leur environnement et produit les premières structures de l'univers qui, par formation hiérarchique, constitueront les briques des galaxies que l'on observe aujourd'hui. Cependant, ces étoiles sont extrêmement rares et seul un petit nombre d'entre elles est connu à ce jour. Afin de pouvoir améliorer efficacement cette situation, notre groupe a mis en place la collaboration internationale Pristine. Celle-ci s'appuie sur un grand relevé photométrique en bande étroite observé à partir du Télescope Canada-France-Hawaï et d'une grande campagne de suivi spectroscopique dédié. Pristine est bien plus efficace que les relevés précédents pour la recherche des étoiles de très basse métallicité. À partir de l'étude détaillée de ces étoiles, nous proposons : de découvrir les étoiles les moins métalliques connues à ce jour ; de contraindre les propriétés de la formation des étoiles aux début de l'univers ; de contraindre de manière robuste les caractéristiques des galaxies naines les moins lumineuses qui orbitent autour de la Voie Lactée et sont les sondes ultimes de la cosmologie en champ proche ; de décomposer la Voie Lactée en ses principales composantes pour placer la Galaxie dans le contexte global de la formation et de l'évolution des galaxies ; de déconstruire le halo stellaire de la Voie Lactée en ses sous-structures résultant de l'accrétion passée de galaxies naines et d'amas globulaires et d'utiliser ces sous-structures pour contraindre la masse et la forme du halo de matière noire de notre Galaxie.

Afin d'être certains d'atteindre ces objectifs de manière efficace, nous demandons un financement ANR pour soutenir Pristine en France et pour s'assurer que le projet a suffisamment de main d'œuvre pour aboutir à un fort impact scientifique dans le domaine des étoiles de très basse métallicité et ces domaines connexes. Notre équipe est construite autour d'experts de l'archéologie Galactique et de la cosmologie en champ proche de trois laboratoires à Nice (OCA/Lagrange), à Paris (GEPI) et à Strasbourg (Observatoire astronomique de Strasbourg). L'ensemble des collègues liés à cette demande représente une part importante de la collaboration internationale Pristine. Dans le but de maximiser le retour sur investissement de Pristine, nous requerrons le financement de deux chercheurs post-doctoraux ainsi que d'un doctorant qui seront répartis entre les trois nœuds de cette demande. Un soutien des membres de l'équipe (permanent ou non) est aussi essential pour sécuriser la visibilité et l'activité des membres français de Pristine dans la collaboration internationale.

Les efforts déjà investis dans la préparation de Pristine (demandes de temps télescope positives, acquisition des données, leur réduction et calibration, début de la campagne de suivi spectroscopique) implique que la projet Pristine est à faible risque pour des gains élevés s'il est soutenu par l'ANR. En outre, le projet s'appuie sur de grandes structures et missions dans lesquelles l'investissement français est important (CFHT, Gaia, WEAVE) et promet de nombreuses publications scientifiques de grand impact dans les domaines de l'archéologie Galactique et de la cosmologie en champ propre, domaines dans lesquelles la France à une grande visibilité.

Coordinateur du projet

Monsieur Nicolas Martin (Observatoire astronomique de Strasbourg)

L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.

Partenaire

ObAS Observatoire astronomique de Strasbourg
LAGRANGE Laboratoire J-L. Lagrange
GEPI Galaxies, Etoiles, Physique, Instrumentation

Aide de l'ANR 475 651 euros
Début et durée du projet scientifique : décembre 2018 - 48 Mois

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