COSMIC-DANCE : Un recensement complet des régions de formation stellaire proches

COSMIC-DANCE : A comprehensive census of nearby star forming regions

• Auteur / Autrice : Núria Miret Roig
• Direction : Hervé Bouy, Javier Olivares Romero
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Astrophysique, Plasmas, nucléaire
• Date : Soutenance le 17/12/2020
• Etablissement(s) : Bordeaux
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences physiques et de l’ingénieur (Talence, Gironde)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'Astrophysique de Bordeaux
• Jury : Président / Présidente : Caroline Soubiran
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Hervé Bouy, Javier Olivares Romero, João F. Alves, Koraljka MUžIć, Francesca Figueras, Christine Ducourant, Sofia Randich
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : João F. Alves, Koraljka MUžIć

Mots clés

Mots clés contrôlés

Étoiles -- Amas

Dynamique stellaire

Formation stellaire

Mots clés libres

Observations astronomiques

Formation stellaire et sub/stellaire

Dynamique stellaire

Groupes ouverts et associations

Fonction de masse

Statistiques Bayéssenes

Astronomical observations

Stellar and substellar formation

Stellar kinematics and dynamics

Open clusters and associations

Mass function

Bayesian statistics

Résumé

Comprendre comment se forment les étoiles est l’une des questions fondamentales auxquelles l’astronomie entend répondre. Malheureusement, nous ne pouvons pas étudier la formation stellaire en temps réel et différentes méthodes indirectes doivent être utilisées pour faire la lumière sur ce sujet. L’objectif principal de cette thèse est de déterminer la fonction de masse initiale, la distribution de masse des étoiles à leur naissance, dans différentes associations et régions de formation d’étoiles. La fonction de masse est le produit direct de la formation stellaire et constitue donc un paramètre d’observation fondamental pour contraindre les théories de formation stellaire et sous-estellaire. Nous nous sommes concentrés sur l’amas ouvert de 30 Ma IC 4665 et la région de formation d’étoiles de 1 - 10 Ma de Upper Scorpius (USC) et r Ophiuchi (r Oph). Nous avons combiné l’astrométrie et la photométrie de Gaia Data Release 2 avec nos observations au sol pour préparer un catalogue profond et étendu de chaque région. Ensuite, nous avons calculé les probabilités d’appartenance en utilisanttoute l’astrométrie et la photométrie disponibles et identifié les membres à haute probabilité. Nous avons utilisé la liste finale des membres pour estimer la distribution de magnitude, et les fonctions de luminosité et masse de ces associations. Alors que la première a l’avantage d’être indépendante des modèles d’évolution, tandis que les fonctions de luminosité et de masse peuvent être utilisées pour contraindre les mécanismes de formation d’étoiles. L’étude d’IC 4556 nous a permis d’identifier des objets sous-stellaires, sans pour autant pouvoir fournir un recensement complet dans ce domaine de masse. Dans USC et r Oph, nous avons identifié une population très riche d’objets sous-stellaires, significativement plus nombreux que les prédictions des modèles de formation par effondrement de coeurs moléculaires, suggérant que la formation de naines brunes et d’objets de masses planétaires isolés par des phénomènes d’éjection dans des systèmes planétaires a une contribution importante et du même ordre que l’effondrement des coeurs moléculaires à la population finale d’objets dans un amas. L’âge est un paramètre fondamental pour étudier la formation et l’évolution des étoiles pour plusieurs raisons: premièrement puisqu’il établit une échelle de temps sur laquelle placer les observations. Deuxièmement car il est essentiel pour convertir les luminosités en masses, avec l’aide de modèles d’évolution stellaire. Les incertitudes sur l’age de USC et r Oph se traduisant en erreurs importantes dans notre estimation de la fonction de masse, j’ai développé une stratégie d’étude de "l’âge dynamique" au moyen d’une analyse orbitale de traçage des mouvements des membres d’associations jeunes. J’ai ainsi mis au point une stratégie incluant i) les observations et la recherche de données dans les archives publiques, ii) la réduction et l’analyse des spectres échelles obtenus; iii) et l’analyse dynamique, pour déterminer l’âge d’une association. La méthodologie, développée avec l’association b Pictoris (b Pic), est prête à être appliquée à d’autres régions et en particulier à USC et r Oph. Les membres que nous avons identifiés sont par ailleurs d’excellentes cibles pour des études complémentaires telles que la recherche de disques (produit également fondamental de la formation stellaire), d’exoplanètes, de système multiples, mais aussi pour la caractérisation des atmosphères et propriétés physiques des naines brunes et des planètes errantes. [...]

Understanding how stars form is one of the fundamental questions which astronomy aims to answer. Currently, it is well accepted that the majority of stars form in groups and that their predominant mechanism of formation is the core-collapse. However, several mechanisms have been suggested to explain the formation of substellar objects, and their contribution is still under debate. The main goal of this thesis is to determine the initial mass function, the mass distribution of stars at birth time, in different associations and star-forming regions. The mass function constitutes a fundamental observational parameter to constrain stellar and substellar formation theories since different formation mechanisms predict different fraction of stellar and substellar objects. We used the Gaia Data Release 2 catalogue together with ground-based observations from the COSMIC-DANCe project to look for high probability members via a probabilistic model of the distribution of the observable quantities in both the cluster and background populations. We applied this method to the 30 Myr open cluster IC 4665 and the 1 - 10 Myr star-forming region Upper Scorpius (USC) and r Ophiuchi (r Oph). We found very rich populations of substellar objects which largely exceed the numbers predicted by core-collapse models. In USC, where our sensitivity is best, we found a large number of free-floating planets and we suggest that ejection from planetary systems must have a similar contribution than core-collapse in their formation. The age is a fundamental parameter to study the formation and evolution of stars and is essential to accurately convert luminosities to masses. For that, we also presented a strategy to study the dynamical traceback age of young local associations through an orbital traceback analysis. We applied this method to determine the age of the b Pictoris moving group and in the future, we plan to apply it to other regions such as USC. The members we identified with the membership analysis are excellent targets for follow-up studies such as a search for discs, exoplanets, characterisation of brown dwarfs and free-floating planets. I this thesis, we presented a search for discs hosted by members of IC 4665 and we found six excellent candidates to be imaged with ALMA or the JWST. The tools we developed, are ready to be used in other regions such as USC and r Oph, where we expect to find a larger number of disc-host stars.