L'échelle de distance des Céphéides : de l’étalonnage Gaia local aux galaxies lointaines

The Cepheid distance scale : from the local Gaia calibration to distant galaxies

• Auteur / Autrice : Louise Breuval
• Direction : Pierre Kervella
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Astronomie et Astrophysique
• Date : Soutenance le 15/10/2021
• Etablissement(s) : Université Paris sciences et lettres
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Astronomie et astrophysique d'Île-de-France (Paris ; 1992-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'études spatiales et d'instrumentation en astrophysique (Meudon, Hauts-de-Seine ; 2002-2024)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Observatoire de Paris (1667-....)
• Jury : Président / Présidente : Françoise Combes
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Pierre Kervella, Gisella Clementini, Lucas Macri, Massimo Marengo
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Gisella Clementini, Lucas Macri

Mots clés

Mots clés contrôlés

Astronomie -- Observations

Astrométrie

Étoiles variables

Mots clés libres

Etoiles variables

Echelle des distances

Astrométrie

Analyse de données

Observations astronomiques

Métallicité

Variable stars

Distance scale

Astrometry

Data analysis

Astronomical observations

Metallicity

Résumé

Les Céphéides sont des étoiles variables pulsantes qui jouent un rôle clé comme indicateurs primaires de distance grâce à la relation empirique entre leur période de pulsation et leur luminosité intrinsèque, la relation période-luminosité. Cette loi est utilisée pour étalonner la luminosité des supernovæ de type Ia dans les galaxies proches, qui est à son tour utilisée pour mesurer la distance aux galaxies dans le flot de Hubble, fournissant une estimation du taux d’expansion actuel de l’Univers: la constante de Hubble (H0). Ces dernières années, une tension significative d’au moins 4σ est apparue entre la mesure de H0 dans l’univers primitif par le satellite Planck, en supposant un modèle ΛCDM, et les mesures directes dans l’univers local basées sur les distances des Céphéides. La confirmation de cette tension pourrait impliquer une nouvelle physique au delà du modèle standard : il est donc essentiel d’améliorer l’étalonnage de la relation période-luminosité grâce à des distances précises et fiables de Céphéides. La collaboration Gaia a récemment publié les parallaxes trigonométriques de plus d’1.7 milliard d’étoiles, permettant une amélioration remarquable de la précision de l’échelle des distances. Cependant, les parallaxes des Céphéides sont affectées par des problèmes de calibration en raison de leur variabilité et de leur importante luminosité. Dans cette thèse, je présente une méthode alternative pour étalonner la relation période-luminosité en utilisant des compagnons de Céphéides et des amas ouverts hôtes, qui ne sont pas soumis à ces problèmes. En utilisant ces compagnons proches non biaisés pour déterminer la distance des Céphéides, j’étalonne la relation période-luminosité dans la Voie Lactée et je réévalue la valeur locale de la constante de Hubble. Enfin, j’étudie le lien entre les magnitudes absolues des Céphéides et leur abondance en métaux en comparant les Céphéides de la Voie Lactée et celles des Nuages de Magellan. J’en déduis que les Céphéides riches en métaux sont plus brillantes que celles qui en sont pauvres, avec un effet plus fort en infrarouge proche qu’en optique. Cet effet peut avoir un impact sur la mesure de la constante de Hubble et devra être pris en compte plus précisément à l’avenir, afin de mieux contraindre l’étalonnage de l’échelle des distances extragalactiques.

Cepheids are pulsating variable stars which play a key role as primary distance indicators thanks to the empirical relation between their pulsation period and intrinsic luminosity, the period-luminosity relation. This law is used to calibrate the brightness of type-Ia supernovæ in nearby galaxies, which is in turn used to measure the distance to galaxies in the Hubble flow. This provides an estimate of the current expansion rate of the Universe, known as the Hubble constant (H0). In recent years, a significant tension of at least 4σ has arisen between the early universe measurement of H0 from the Planck satellite, assuming a ΛCDM model, and the late universe direct measurements based on Cepheid distances. The persistence of this tension would imply new physics beyond the standard model of cosmology: it is therefore critical to improve the period-luminosity calibration with precise and reliable Cepheid distance measurements. The Gaia Collaboration recently published trigonometric parallaxes for 1.7 billion stars, allowing for a remarkable improvement in the precision of the distance scale. However, Cepheid parallaxes suffer from calibration issues due to their variability and important brightness. In this thesis, I present an alternative method for calibrating the period-luminosity relation using Cepheid companions and host open clusters, which are not subject to these issues. By adopting these close and unbiased companion stars to determine the distance to Cepheids, I calibrate the period-luminosity relation in the Milky Way and re-evaluate the local value of the Hubble constant. Finally, I study the relation between Cepheid magnitudes and their metal abundance by comparing the Cepheids of the Milky Way and those of the Magellanic Clouds. I conclude that metal-rich Cepheids are brighter than metal-poor ones, with a stronger effect in near-infrared than in optical. This effect may impact the measurement of the Hubble constant and will have to be taken into account more precisely in the future, to better constrain the calibration of the extragalactic distance scale.