Etude du disque Galactique avec WEAVE et Gaia – MWDisc

Le projet articule trois volets complémentaires : construction de catalogues homogénéisés, détermination des âges stellaires, et modélisation chemo-dynamique du disque galactique. Suite aux retards instrumentaux de WEAVE, les méthodes ont été déployées et validées sur des relevés publics existants, garantissant des résultats intermédiaires publiables et une préparation optimale à l’exploitation future des données WEAVE. Cette évolution a renforcé la dimension méthodologique et la transférabilité des outils développés.

Le premier volet concerne l’homogénéisation de catalogues spectroscopiques issus de différents relevés. Des méthodes d’apprentissage automatique supervisé ont été développées pour placer paramètres atmosphériques et abondances chimiques sur une même échelle de référence, en s’appuyant sur des étoiles communes inter-catalogue et des étoiles de référence. Ces techniques ont été testées avec succès sur APOGEE et GALAH, en intégrant des contraintes physiques afin d’assurer robustesse et interprétabilité. Cette approche sera directement transférable aux données WEAVE dès leur disponibilité.

Le deuxième volet porte sur la détermination des âges stellaires. Le projet a développé des méthodes bayésiennes d’ajustement d’isochrones combinant paramètres spectroscopiques, photométrie multi-bandes et parallaxes Gaia, avec prise en compte explicite des lois d’extinction. De nouvelles relations âge–métallicité et âge–[α/Fe], ont été obtenues à partir des données APOGEE, permettant l’étude de la population atypique caractérisée par un jeune âge et une abondance alpha élevée. Les méthodes ont été conçues de façon modulaires afin qu’elles soient applicables à différents jeux de données.

Le troisième volet concerne la modélisation dynamique. Des modèles perturbatifs en coordonnées angle-action ont été développés pour décrire la réponse du disque aux perturbations non axisymétriques (barre, bras spiraux), incluant le traitement des résonances et des amplitudes variables dans le temps. Des codes numériques de fonctions de distribution perturbées et de diffusion séculaire auto-gravitationnelle (type Fokker-Planck) ont été appliqués sur des populations mono-âge et mono-abondance, pour explorer les signatures observables de la migration radiale et des variations de vitesse de rotation de la barre.

Malgré les retards de WEAVE, le projet a produit des résultats dans chacun de ses volets, garantissant un impact immédiat et préparant l’exploitation des futures données.

Méthodes d’homogénéisation : Nous avons développé et validé des méthodes d’homogénéisation inter-catalogues fondées sur l’apprentissage automatique, plaçant les paramètres stellaires et abondances chimiques sur une échelle commune entre relevés de référence. Testées avec succès sur APOGEE et GALAH, celles-ci ont démontré leur capacité à intégrer des contraintes physiques (ex: corrélation d’abondances provenant de canaux nucléosynthétiques communs), et seront au cœur des analyses de WEAVE. Deux articles ont été publiés (Thomas+ 2023, Turchi+ 2025), et un autre est en préparation (Gran+, in prep.).

Évolution chimique du disque: De nouvelles chaînes d’inférence combinant spectroscopie, photométrie multi-bandes et parallaxes Gaia ont été développées, avec prise en compte de différentes lois d’extinction et calibrations photométriques. Ces travaux ont permis l’analyse d’étoiles α-riches en apparence jeunes, montrant qu’il s’agit majoritairement d’objets de type blue stragglers, ici des étoiles du disque épais ayant acquis de la masse par transfert d’une étoile compagnon (Cerqui+ 2023). Ils ont surtout produit de nouvelles relations âge–métallicité et âge–[α/Fe] à différents rayons galactiques (Cerqui+ 2025) montrant comment l’évolution chimique du disque dépend du rayon galactique et comment la migration radiale induite par la barre peut être utilisée pour estimer l’âge de celle-ci (Haywood+ 2024). Enfin, il a été montré que les étoiles de métallicité plus élevée que celle du milieu interstellaire (ayant migré) sont systématiquement plus âgées que les étoiles de métallicité plus faible (formées localement, Kordopatis+ 2025).

Dynamique interne du disque: De nouveaux modèles perturbatifs en coordonnées angle-action ont été développés, intégrant barre et bras spiraux, amplitudes variables et traitement des résonances (Li+ 2024, Yuan+ 2024). Le code PERDIGAL a été produit et validé (al Kazwini+ 2022). Des simulations test-particules ont montré qu’une barre à vitesse de rotation décroissante peut reproduire les principales structures en spirale de phase observées par Gaia. En parallèle, la preuve de concept d’une réponse linéaire auto-gravitationnelle dépendant du temps a été publiée, ouvrant la voie à des modèles de diffusion séculaire du disque.

Autres résultats/publications: Le projet a publié des articles de datation d'étoiles et d'identification de diagnostics spectraux robustes selon le type stellaire (Kordopatis+ 2023a,b), de caractérisation de nouveaux amas globulaires (Gran+ 2024), d'étude du disque pauvre en métaux (Fernandez-Alvar+ 2024, Gonzalez Rivera+ 2024), et de modèles de réponse dynamique perturbée (Khalil+ 2025). Deux autres articles (Gran+ 2026a,b) ont été soumis analysant, à partir de données P.I. sur le VLT, des étoiles du halo accrétées.

Le projet pose des bases méthodologiques et numériques directement exploitables par les grands relevés spectroscopiques à venir. Les outils d’homogénéisation inter-catalogues, de détermination d’âges stellaires et de modélisation dynamique développés constituent un socle prêt à l’emploi pour l’analyse conjointe de Gaia et de WEAVE, puis d’autres relevés (ex: 4MOST).

À court terme, la disponibilité progressive des données WEAVE permettra l’application directe et en profondeur des méthodes, avec un changement d’échelle statistique significatif. La combinaison d’abondances chimiques homogénéisées, d’âges robustes et d’observables dynamiques ouvrira la voie à des contraintes quantitatives sur l’histoire de formation du disque, l’efficacité de la migration radiale, les effets des accrétions d’etoiles extra-galactiques et les propriétés temporelles de la barre et des bras spiraux.

Les développements en modélisation angle-action et en réponse perturbative auto-gravitationnelle pourront être étendus à des modèles multi-populations et multi-perturbations temporelles, permettant une interprétation physique directe des sous-structures fines révélées par le quatrieme catalogue de Gaia (prévu pour décembre 2026).

Enfin, les méthodes combinaison de catalogues sont transférables à d’autres contextes astrophysiques et à d’autres domaines de science des données confrontés à des mesures hétérogènes et biaisées. Elles favorisent la production de catalogues à forte valeur ajoutée pour la communauté.

Articles publiés dans des revues de rang A:
Al Kazwini et al., A&A 658, A50 (2022)
Cerqui et al., A&A 676, A108 (2023)
Kordopatis et al., A&A 669, A104 (2023)
Kordopatis et al. A&A 674, A104 (2023)
Li et al. in print to MNRAS, doi:10.1093/mnras/stad2199
Gran et al. accepté à A&A

Dans un Univers où les structures se forment hiérarchiquement, le cas de la Voie lactée permet l'étude détaillée des mécanismes d'évolution des galaxies. La synergie entre le satellite spatial Gaia et le relevé spectroscopique au sol WEAVE donne accès, pour la première fois, à plus de 30 traceurs du passé galactique pour un million d'étoiles du voisinage solaire et une dizaine de traceurs pour deux millions d'étoiles en dehors de celui-ci. Notre projet concerne l'étude du disque galactique, structure encodant à la fois les processus internes et externes d’evolution chemo-dynamique de la Voie lactée.

Nous avons construit une équipe polyvalente dont les noeuds à Nice, Paris et Strasbourg, comprennent des experts en évolution, simulation et modélisation de la Galaxie. Les membres de l'équipe sont fortement impliqués à la fois dans WEAVE et Gaia afin d'extraire le maximum d'informations disponibles dans ces catalogues combinés. Au cours des quatre années de l'ANR MWDisc, et parallèlement à l'accumulation des données WEAVE (à partir du T1 2021), nous visons à produire des catalogues à valeur ajoutée pour les cibles stellaires WEAVE (contenant des abondances chimiques stellaires homogènes, des âges, des orbites et des extinctions) et des modèles associés à la diffusion des populations mono-âge par des perturbations et superpositions de perturbations variant dans le temps (associées aux bras spiraux et à la barre galactique). Ces modèles et catalogues nous permettront, à leur tour, d'évaluer l'histoire de la formation stellaire dans différentes régions du disque, d'imposer des contraintes sur les accrétions anciennes de la Voie lactée (grace notamment à l'analyse de simulations existantes), de relier les propriétés géométriques du disque mince et épais avec leurs contreparties chimiques et enfin de caractériser l'efficacité de la migration radiale à travers le disque.