Stellar streams as probes of dark matter : search and dynamical analysis

par Khyati Malhan

Thèse de doctorat en Astrophysique

Sous la direction de Rodrigo Ibata.

Soutenue le 21-09-2018

à Strasbourg , dans le cadre de École doctorale Physique et chimie-physique (Strasbourg ; 1994-....) , en partenariat avec Observatoire astronomique de Strasbourg (laboratoire) .

Le président du jury était Ariane Lançon.

Le jury était composé de Paola Di Matteo, Morgan Fouesneau.

Les rapporteurs étaient Michele Bellazzini, Denis Erkal.

  • Titre traduit

    Stellar streams en tant que sondes de la matière noire : recherche et analyse dynamique


  • Résumé

    Les courants stellaires de marée sont des structures en étoile immaculées qui jouent un rôle central dans la résolution des mystères de longue date de l'archéologie galactique. Étant donné que les flux sont de nature orbitale, ils possèdent intrinsèquement les caractéristiques de résolution de la distribution de masse sous-jacente de la galaxie et peuvent être utilisés pour sonder la forme du halo de matière noire. En plus de tester le scénario de «fusion hiérarchique» de la formation de galaxies, les brèches de ruisseau peuvent également fournir une preuve indirecte de l’existence de sous-halos de matière noire (ce qui, en principe, limite la nature de la particule de matière noire elle-même). Pour toutes ces raisons, l'analyse dynamique des flux stellaires de la Voie Lactée devient naturellement l'un des problèmes les plus intéressants. Cependant, le principal défi consiste à détecter ces structures. Au cours de la thèse, l’algorithme STREAMFINDER (un algorithme à la pointe de la technologie) a été conçu pour traiter systématiquement le jeu de données Gaia (le nouveau catalogue astrophysique de l’ESA contenant des solutions astrométriques sans précédent de plus de 1,6 milliard d’étoiles) pour la détection des flux stellaires de la Voie lactée. Cette lourde entreprise a permis de détecter 10 structures de flux de confiance, dont 5 étaient considérées comme de nouvelles découvertes. Cette récolte de structures a également facilité, pour la première fois, la création d’une carte structurale et cinématique panoramique des flux stellaires de la rivière Milky. Halo, poussant notre communauté encore plus loin dans l’histoire complexe de la formation de notre galaxie. Ce projet a été immédiatement suivi de l'analyse orbitale de l'un des flux détectés (à savoir GD-1) pour explorer les améliorations des modèles de potentiel gravitationnel de notre galaxie. Les contraintes imposées à la masse de la Voie lactée et à la forme de son halo de matière noire, obtenues simplement en utilisant ce seul flux, ont révélé la puissance potentielle que l'analyse d'un ensemble de flux permettrait de sonder la distribution globale de la masse galactique de notre galaxie. Ainsi, la thèse a ouvert la voie à de nouvelles découvertes des sous-structures stellaires, soulignant également les perspectives d'avenir dans ce domaine.


  • Résumé

    Tidal stellar streams are pristine star structures that play central role in addressing long standing mysteries of the Galactic archaeology. Since streams are orbital in nature, they inherently possess the characteristics of unravelling the underlying mass distribution of the galaxy, and can be used to probe the shape of the dark matter halo. Besides testing the ‘hierarchical merging’ scenario of galaxy formation, stream gaps can also provide indirect evidence for the existence of dark matter sub-halos (thereby, in principle, constraining the nature of the dark matter particle itself). Due to all these reasons, the dynamical analysis of stellar streams of the Milky Way Galaxy naturally becomes one of the interesting problems. However, the foremost challenge is to detect these structures. During the thesis, STREAMFINDER algorithm (a state of the art algorithm) was designed to systematically process the Gaia dataset (ESA’s novel astrophysical catalogue containing unprecedented astrometric solutions of over 1.6 billion stars) for the detection of the stellar streams of the Milky Way. This hefty endeavour led to the detection of 10 high confidence stream structures, of which 5 were reported as new discoveries.This harvest of structures also facilitated, for the first time, creation of a panoramic structural and kinematic map of the stellar streams of the Milky Way halo, taking our community a step further in unravelling the complex formation history of our Galaxy. This project was instantly followed by the orbital analysis of one of the detected streams (namely GD-1) to explore the improvements in the gravitational potential models of our Galaxy. The constraints on the Milky Way’s mass and that on the shape of its dark matter halo, that were obtained by simply employing this single stream, revealed the potential power the analysis of an ensemble of streams would hold in in probing the overall galactic mass distribtuion of our Galaxy. Thereby, the thesis paved way for new discoveries of the stellar substructures, also highlighting the future prospects in this field.


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