CE31 - Physique subatomique et astrophysique

Etude du disque Galactique avec WEAVE et Gaia – MWDisc

Etude du disque Galactique avec WEAVE et Gaia

Dans un Univers où les structures se forment hiérarchiquement, la Voie lactée permet l'étude détaillée des mécanismes d'évolution des galaxies. La synergie du satellite Gaia avec le relevé spectroscopique WEAVE donne accès à ~30 traceurs du passé galactique pour 10^6 étoiles du voisinage solaire et ~10 traceurs pour 2.10^6 étoiles en dehors de celui-ci. Notre projet concerne l'étude du disque galactique, structure encodant à la fois les processus internes et externe d’evolution de la Voie lactée

Difficultés rencontrés avec WEAVE

WEAVE est un projet d'observations spectroscopiques d'une durée de cinq à sept ans qui sera réalisé à partir du télescope William Hershel (Îles Canaries, Espagne), et dont la partie Archéologie Galactique vise à collecter ~3 millions de spectres stellaires.<br /><br />WEAVE, après avoir été retardé par la pandémie, le Brexit, et l'éruption du volcan de La Palma en 2021, a rencontré des difficultés matérielles lors de l'intégration (endommagement du positionneur pendant le transport) et de la mise en service (spectrographe hors focale, positionneur ne répondant pas aux spécifications, etc.). En principe, ces problèmes peuvent être résolus une fois que leur origine est comprise. Cependant, ce dernier point n'est pas encore complètement résolu à ce jour. C'est pourquoi il s'est écoulé près d'un an pendant lequel WEAVE est sur le point de débuter, mais ne commence pas réellement. Cette incertitude a compliqué l'organisation et le recentrage du projet de ce projet ANR. Cependant, cela a été fait, comme décrit dans les résumés des nœuds ci-dessous.

Techniques d'apprentissage automatique pour le transfert de paramètres, ainsi que l'analyse spectrale et l'ajustement d'isochrones pour la détermination des âges stellaires. A Strasbourg, des codes numériques ont été développés pour la modélisation, et à Paris, des scripts python ont servit pour l'exploration des données.

Au cours de la première année de F. Gran (Postdoc ANR à Nice), des progrès significatifs ont été réalisés dans l'homogénéisation des catalogues stellaires publiques provenant de différents instruments, afin d'améliorer les études sur l'évolution de la Voie Lactée et pouvoir utiliser ces méthodes pour WEAVE.
Les catalogues spectroscopiques publics comme APOGEE et GALAH, avec des résolutions similaires à WEAVE, ont servi de banc d'essai pour les algorithmes d'apprentissage automatique. Ces algorithmes ont réussi à «traduire« les observations d'une échelle à l'autre en utilisant des paramètres stellaires et des éléments chimiques clés. Cet effort a abouti à un catalogue contenant 50 % d'étoiles supplémentaires qu'à l'origine.

De plus, 3 projets ont donné lieu à des publications : l'optimisation de la détermination de l'âge des étoiles FGK à l'aide de données Gaia, l'étude des raies spectrales pour une mesure précise des abondances stellaires, et la caractérisation de 5 amas globulaires galactiques récemment découverts à l'aide de données optiques et dans le proche infrarouge.

Le nœud de Strasbourg développe des codes numériques pour modéliser les fonctions de distribution de l'espace d'action perturbé pour les populations mono-âge du disque de la Voie lactée. L'objectif est de créer un modèle perturbatif du disque galactique en coordonnées angle-action, de prendre en compte les perturbations de la barre et des bras spiraux, et d'étudier les régions de résonances. Les premiers résultats sont publiés dans Al Kazwini et al. (2022), avec un travail en cours pour les populations multiples et le traitement des résonances.
En l'absence de données WEAVE, des particules test ont été utilisées pour étudier les perturbations temporellement variables sur la spirale de l'espace des phases de Gaia. Ces travaux démontrent qu'une barre galactique à vitesse décroissante peut reproduire les principales caractéristiques observées dans l'échantillon Gaia-RVS (Li et al. 2023).

A Paris, V. Cerqui a débuté son doctorat en oct. 2021, afin d'établir des relations âge-abondance chimique et comprendre la formation des étoiles du disque de la Voie Lactée. En attendant les données WEAVE, elle a optimisé la détermination de l'âge pour les échantillons d'étoiles avec des données chimiques disponibles, en incorporant des données spectroscopiques et photométriques. Elle a également adapté son code à la photométrie de Gaia, obtenant ainsi de nouvelles relations âge-métallicité et âge-alpha.
Au cours de sa deuxième année, V. Cerqui a étudié les jeunes étoiles riches en a (YAR) parallèlement à son analyse de l'âge. Ses résultats, publiés en août 2023, indiquent que les étoiles YAR, bien qu'elles soient a-riches, semblent plus jeunes que les étoiles typiques du disque épais. L'étude cinématique et chimique, suggére qu'il s'agit d'objets du disque épais rajeunis, peut-être des traînardes bleues évoluées, avec des changements dans certaines abondances chimiques.

Tous les membres du projet attendent le début du relevé WEAVE, actuellement attendu pour fin 2023. D'ici là, voici une liste des étapes prévues dans les différents nœuds :

Nice :
L'objectif immédiat est d'appliquer le processus de transfert de paramètres développé pour d'autres relevés aux observations WEAVE lorsqu'elles seront disponibles. Le but est d'accéder aux deux extrémités du catalogue Gaia en terme de metallicité, en fournissant des informations dynamiques et chimiques complètes.

Paris :
Actuellement, V. Cerqui utilise les déterminations d'âge pour étudier l'évolution des disques de la Voie Lactée, en élargissant son échantillon avec les données d'APOGEE DR17 et du catalogue AstroNN. Elle travaille sur son deuxième article, qu'elle espère terminer d'ici la fin de 2023, dans le but de comprendre si les relations âge-chimie dans le voisinage solaire reflètent des processus évolutifs isolés ou plus complexes.

Strasbourg :
Dans Rozier et al. (2022), un code a été développé pour la réponse linéaire variable dans le temps d'un disque autogravitant soumis à des perturbations linéaires. Cependant, afin de l'appliquer pour un disque galactique, des complexités numériques sont en train d'être résolues, les paires potentiel-densité sont affinées, et l'algorithme de la transformée de Fourier dans l'espace angulaire est optimisé.

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.

Coordination du projet

Georges Kordopatis (Laboratoire J-L. Lagrange (OCA/CNRS/UCA))

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

GEPI Galaxies, Etoiles, Physique, Instrumentation
LAGRANGE (OCA/CNRS/UCA) Laboratoire J-L. Lagrange (OCA/CNRS/UCA)
ObAS Observatoire astronomique de Strasbourg (UMR 7550)

Aide de l'ANR 569 368 euros
Début et durée du projet scientifique : - 48 Mois

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