Thèse sous la direction de

O. Bienaymé et K. Freeman

Formation du disque de la Voie Lactée

Formation du disque de la Voie LactéeLionel VELTZ

PlanPlan

•Le disque de la Voie Lactée

•Sa formation •L’inversion cinématique•Le modèle Cigal•Conclusions et perspectives

La Voie LactéeLa Voie Lactée

La Voie LactéeLa Voie Lactée

Structure

Cinématique

La Voie LactéeLa Voie Lactée

Structures de la galaxieStructures de la galaxie

Halo

Bulbe

Disque

Structures de la galaxieStructures de la galaxie

NGC 4762

Burstein (1979)

Structures de la galaxieStructures de la galaxie

Halo

Bulbe

Disquemince

Disque

épais

€

ρ(R,z) = ρ 0,i

i=1,2

∑ exp−z−z0

hz ,i exp−R−R0

hR ,i

Echelle de hauteur

Echelle de longueur

Echelle de hauteur

Echelle de longueur

Structure du disqueStructure du disque

Structure axisymétrique:

L’échelle de hauteurL’échelle de hauteur

L’échelle de hauteur du disque épais est mal connue

Corrélation hz du disque épais et ρépais/ρmince

L’échelle de longueurL’échelle de longueur

L’échelle de longueur du disque épais est plus grande que celle du disque

mince

Référentiel standard local (LSR)

Origine: Point idéal en rotation le long d’une orbite circulaire de rayon R

VLSR 220 km.s-1 T 250.106 ans

Direction:

Composantes de la vitesse: (U,V,W)

LSR

R

CG

Cinématique du disqueCinématique du disque

W

V

U

Rot.

C.G.

NGP

LSR

U

V

Cinématique du disque Cinématique du disque

L’ellipsoïde des vitesses:

W

U

Dispersions de vitesse: (U,V ,

W)

U

W

L’ellipsoïdeL’ellipsoïde

• Accord dans les mesures de la cinématique du disque mince

• Dispersion dans les mesures de la cinématique du disque épais

Populations stellairesPopulations stellaires

Deux manières d’envisager le disque :

• Structure avec deux composantes :• Le disque mince• Le disque épais

• Structure constituée d’une somme de populations stellaires

La formation de la Voie Lactée

La formation de la Voie Lactée

Formation de la galaxieFormation de la galaxie

Effondrement monolithique

Eggen, Lynden-Bell and Sandange (1962)

Fragments multiples

Searl and Zinn (1978)

Formation rapide Formation progressive

Formation du disque épaisFormation du disque épais

Chauffage d’un disque mince initial

Formation du disque épaisFormation du disque épais

• Chauffage d’un disque mince initial

•Nuages moléculaires géants (Wielen 1977)

•Bras spiraux (Sellwood & Carlberg 1984)

•Tous noirs super-massifs (Lacey & Ostriker 1985)

•Mini-halo de matière noire (Fuchs 2001)

Formation du disque épaisFormation du disque épais

• Chauffage d’un disque mince initial

• Création du disque épais avant le disque mince(Samland 2004)

Formation du disque épaisFormation du disque épais

• Chauffage d’un disque mince initial

• Création du disque épais avant le disque mince

• Apports extérieurs (Abadi 2003)

Signature cinématiqueSignature cinématique

• Chauffage du disque mince initial

• Disque épais puis disque mince

• Apports extérieurs

• Continuité cinématique

• Discontinuité cinématique

• Discontinuité cinématique

Inversion cinématiqueInversion cinématique

Mouvements propres

Distribution en vitesse

Décomposition cinématique

inversion

distance

Objectif: décomposition en populations stellaires du disque

Mouvements propresMouvements propres

Etoiles de Barnard: 10,3 arsec.an-1

UCAC2

8° autour des pôles galactiques

magnitudes K entre 6 et 15

25000 étoiles

erreur: 2 à 6 mas.an-1

L’échantillonL’échantillon

Sélection en couleurSélection en couleur

Géantes du clump MK=-1.61

Naines <MK>=4.15

écart en magnitudes absolues magnitudes absolues précises

J-K=[0.5-0.7]

2mass-MSX-Hipparcos

hyp.: Toutes les étoiles sont des naines

Distance photométriqueDistance photométrique

MéthodeMéthode50 pop. cinématiques -> ci

Lissage

Positivité des composantes

z<400pc

400<z<800pc

z>800pc

z>1000pc

10007 étoiles

6758 étoiles

7787 étoiles

3724 étoiles

GéantesDisque minceDisque épais

RésultatsRésultats

• Séparation types d’étoiles:

- naines

- géantes

• Décomposition cinématique:

- disque mince U = [25-55] km.s-1

- disque épais U = [75-100] km.s-1

- halo (non détecté)

BilansBilans

BIAISBIAIS

• Taille de l’intervalle de l’histogramme

• Nombre d’étoiles

• Séparation de 2 populations

Facteur de lissage -> renforce les pics

• Complétude de l’UCAC2

Le modèle CigalLe modèle CigalObjectif: décomposition en populations stellaires du

disque

Séparation types d’étoiles

Décomposition cinématique

Mouvements propres, Comptages et Vitesses radiales

2MASS8°

K= 5 et 15.422 050

complet

UCAC216°

K= 6 et 14105170

2 à 6 mas.an-1

Elodie-RAVE15°

K= 5.5-8.5-11.5 392 + 543

2 km.s-1

Les échantillonsLes échantillons

Notre étude est basée sur 3 échantillons situés autour des pôles

galactiques:

Photométrie Mouvements propres

Vitesse radiale

*

* première version de RAVE

Magnitudes absolues:

Sous-géantes

MK=-0.89

MK=-0.17

Naines MK=4.15

Géantes du clump MK=-1.61

Sélection en couleurSélection en couleur

2mass-MSX-Hipparcos

i=20 composantes isothermes (w=10-70 km.s-

1)k=4 magnitudes absolues (1 pour les géantes, 2 pour les sous-géantes et 1

pour les naines)

=> 4 gaussiennes M = 0.25

Equation de la statistique stellaire:

Le modèleLe modèle

PotentielGravitation

nel

distribution en densité

distributionen vitesse

€

Φ(z) = 2πG Σ0( z2 + D2 −D) + ρ eff z2

( )

Potentiel gravitationnel vertical:

Auto-cohérentAuto-cohérent

AjustementsAjustements

Minuit (James 2004)

ComptagesVitesses radiales

Mouvements propres

Séparation Naines/GéantesSéparation Naines/Géantes

Géantes

Naines

Sous-géantes

mK=10.0

Comptage 2MASSComptage 2MASS

Géantes

Naines

Sous-géantes

Données RAVEDonnées RAVE

1 2 3 Histo. RAVEHisto. RAVEHisto. RAVE

Géantes Naines

531 étoiles

Paramètres stellaires RAVEParamètres stellaires RAVE

Gravité de surface log(g)

Nombre

d’étoiles

RAVE [8.5-9.5]RAVE [8.5-9.5]

GéantesNaines

RAVE [9.5-10.5]RAVE [9.5-10.5]

GéantesNaines

RAVE [10.5-11.5]RAVE [10.5-11.5]

GéantesNaines

Décomposition cinématiqueDécomposition cinématique

disque mince disqu

e épais

Fonction de distribution cinématique

Fonction de distribution cinématique

Obtenu en ajustant les comptages, les histogrammes de mouvements propres et de vitesses radiales

Séparation disque mince/épaisSéparation disque mince/épais

Naines

GéantesMinimum

Séparation disque mince/épaisSéparation disque mince/épais

Transition disque mince/ disque épais

Disque épais

[30-45] Km.s-1

Disque mince

[10-25] Km.s-

1

photometric distance (pc)

Séparation disque mince/épaisSéparation disque mince/épais

Echelles de hauteurEchelles de hauteur

disque mince disqu

e épais

Fonction de distribution cinématique

Fonction de distribution cinématique

Obtenu en ajustant les comptages, les histogrammes de mouvements propres et de vitesses radiales

Echelles de hauteursEchelles de hauteurs

Disque mince

Disque épais

Disque mince:

hz=225 ± 10 pc

Disque épais:

hz=1048 ± 36 pc

LSR: (U,V,W)=(8.5±0.3, 5.2, 11.1

±1.0)

Z = 20.0 ± 2.0 pc

Disque mince:

W=[10-25] km.s-1

hz=225 ± 10 pc

Disque épais:

W=[30-45] km.s-1

hz=1048 ± 36 pc

Vasym = 33 ± 2 km.s-1

Résultats cinématiquesRésultats cinématiques

•Bon ajustement des observations

•Séparation naines/géantesConfirmée par log(g)

•Séparation ciné. disque mince/épais

Confirmée par la distance photométrique

•Valeurs réalistes des quantités cinématiques mesurées

Conclusions CigalConclusions Cigal

Conclusions et perspectives

Conclusions et perspectives

ConclusionsConclusions

Décomposition en populations stellaires

Inversion cinématique Modèle Cigal

Séparation Naines/Géantes

Discontinuité cinématique disque mince/épais

Disque mince initial

Disque épais initial

Apports extérieurs

Modèle formation disque épais

PerspectivesPerspectives

Mesure de l’échelle de longueur

Merci de votre attentionMerci de votre attention

Ajustement des observationsAjustement des observations

Ajustement des observationsAjustement des observations

• Comptages• Mouvements propres• Vitesses radiales

Les galaxiesLes galaxies

Les galaxiesLes galaxies

E0

E3

E7

S0

a

GalaxiesEliptiques

GalaxiesLenticulair

es

GalaxiesSpirales

b

c

S SB

La Voie LactéeLa Voie Lactée

M101

Crédit: Hubble/ESA

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Crédit: ESA/Hubble (M. Kornmesser & L. L. Christensen)

Cinématique du disque Cinématique du disque

L’inclinaison de l’ellipsoïde:

L’ellipsoïde des vitesses:

Wv3

U

v1

Répartition des étoiles en distanceRépartition des étoiles en distance

Paramètres modèle de disque:

hz,mince = 225 pc

hz,épais = 1050 pc

ρmince/ρépais = 7 %

Répartition des étoiles en magnitude (naines)

Répartition des étoiles en magnitude (naines)

Répartition des étoiles en magnitude (Géantes)

Répartition des étoiles en magnitude (Géantes)

Distance photométriqueDistance photométrique

Echantillon (1)Echantillon (1)

Géante

s

Disque mince

Disque épais

z < 400 pc

Géante

s

Inversion (1)Inversion (1)

Echantillon (2)Echantillon (2)

Géante

sDisque mince

Disque épais

400<z<800 pcGéante

s

Inversion (2)Inversion (2)

Echantillon (3)Echantillon (3)

Géante

sDisque mince

z > 800 pc

Disque épais

Inversion (3)Inversion (3)

Echantillon (4)Echantillon (4)

Géante

sDisque mince

Disque épais

z > 1000 pc

Inversion (4)Inversion (4)