Contraintes observationnelles sur la formation et l’évolution chimique du bulbe galactique - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2007

Observational constraints on the formation and evolution of the Galactic bulge

Contraintes observationnelles sur la formation et l’évolution chimique du bulbe galactique

Résumé

The Milky Way bulge shows contradictory features. Its structure and shape are close to those of late-type galaxies which are believed to be made secularly out of the disk instabilities (“pseudo-bulges”). However, its stellar population seems to be old and metal-rich in line with the typical characteristics of Sa and Sb spheroids (“classical bulge”). Using the FLAMES instrument (VLT), we observed 5 samples of about 230 bulge giants stars in 4 fields spread perpendicularly to the galactic plane from b=-3° to b=-12°. Intermediate resolution spectra (R~ 20000) have been obtained with the FLAMES/GIRAFFE spectrograph for all stars and 55 have also been observed with the high resolution spectrograph FLAMES/UVES (R~48000). This thesis is based on the analysis of the 55 UVES stars for which we obtained oxygen, magnesium, aluminum and sodium abundances as well as on the Red Clump giants GIRAFFE sample in Baade’s Window (l = 1°, b = -4°) for which individual metallicities ([Fe/H]) have been measured. For this work, an automatic method has been specifically developed to deal with the issues arising from the analysis of these heavily reddened metal-rich giant stars. Our study establishes, a bulge metallicity distribution (MD) in the Baade’s Window entirely based, for the first time, on a large sample (220 stars), with [Fe/H] values coming from the analysis of intermediate resolution spectra and consequently more precise than previous studies. This allow us to confirm some of the MD characteristics and to highlight new ones : (i) a sharp decrease at high metallicities ([Fe/H]>0. 5, (ii) a large number of stars with supersolar metallicities (50 % with [Fe/H]>0. 16, 25% with [Fe/H]>0. 38) and (iii) few metal poor star (about 2% of stars with -1. 1 [Fe/H]<-0. 7) . The abundance results of O, Na, Mg and AI from the UVES spectra show that the bulge have encountered a chemical evolution distinct from the galactic thin and thick disks. The bulge oxygen and magnesium ratios relative to iron are higher than those on both galactic disks, which point towards a shorter formation timescale for the galactic bulge. The comparison of the MD and -α (O and Mg) abundances with those predicted by chemical evolution models suggests an extremely efficient and fast stellar formation, which would have been suddenly stopped via SNe winds. Some models also predict a flatter IMF, favouring massive stars. Moreover, an detailed inspection of the massive stars nucleosynthesis has shown that : (i) the bulge stars [O/Mg] ratio follows and extends the decreasing trend of [O/Mg] found in the galactic disks to higher metallicities. This decrease at the highest metallicities is not predicted by theoretical models massive stars, (ii) th [Na/Mg] ratio trend with increasing [Mg/H] is found to increase in three distinct sequences in the thin disk, the thick disk and the bulge. This point to an additional source of Na (AGB) in addition to the massive stars contribution.
Le bulbe de la Voie Lactée présente des caractéristiques contradictoires. D'une part sa morphologie est proche de celles des galaxies tardives barrées, dont la formation est reliée aux instabilités du disque ("pseudo-bulbe"). D'autre part, il semble constitué de populations stellaires vieilles et métalliques qui évoque les sphéroïdes des galaxies précoces (bulbes classiques). C'est dans ce contexte que se place le travail de cette thèse.Profitant de l'installation de l'instrument FLAMES au VLT, nous avons observé 5 échantillons d'environ 230 étoiles géantes du bulbe dans des champs distribués perpendiculairement au plan galactique entre b=-3° et b=-12°. Pour toutes ces étoiles, des spectres à moyenne résolution (R~ 20000) ont été acquis avec le spectrographe FLAMES/GIRAFFE et 55 de ces étoiles ont également été observées avec le spectrographe haute résolution FLAMES/UVES (R~48000). Ce travail de thèse s'est concentré à la fois sur l'analyse des 55 étoiles UVES, pour lesquelles nous avons obtenu les abondances détaillées d'oxygène, magnésium, aluminium et sodium et de fer; ainsi que sur l'un des cinq échantillons GIRAFFE, constitué uniquement d'étoiles du red clump, dans la fenêtre de Baade (l = 1°, b = -4°) pour lesquelles les métallicités individuelles ([Fe/H]) ont été mesurées. Pour ce travail, une méthode automatisée spécifique a été développée afin de surmonter les difficultés d'analyse propres à ces étoiles riches en métaux et affectées par un fort rougissement. Notre étude établit, pour la première fois sur un grand échantillon (220 étoiles), une distribution en métallicités (DM) du bulbe dans la fenêtre de Baade entièrement basée sur des métallicités déduites de l'analyse de spectres à moyenne-haute résolution et par conséquent plus précise que celles connues jusqu'à présent. Cette meilleure précision a permis de confirmer certaines caractéristiques ainsi que d'en mettre en évidence de nouvelles: (i) une diminution abrupte du nombre d'étoiles avec [Fe/H]>0.5 particulièrement significative, (ii) une très forte proportion d'étoiles avec des métallicités sursolaires (50% des étoiles avec [Fe/H]>0.16, 25% des étoiles avec [Fe/H]>0.38) (iii) un très petit nombre d'étoiles pauvres en métaux (environ 2 % des étoiles avec [Fe/H]<-0.7) visibles jusqu'à [Fe/H ]= -1.1. Les abondances de O, Na, Mg et Al déduites des spectres UVES montrent que le bulbe a suivi une évolution chimique bien distincte des disques mince et épais. Les étoiles du bulbe sont plus enrichies en éléments -α (O et Mg) que celles du disque, ce qui suggère un temps caractéristique de formation plus court dans le bulbe. La comparaison de la DM et des abondances en éléments -α à celles prédites par des modèles d'évolution chimique indique une formation stellaire extrêmement efficace et rapide qui se serait interrompue brutalement à la suite d'une perte du gaz (vents). Certains modèles nécessitent également une IMF favorisant les étoiles massives. De plus, une inspection dans le détail de la nucléosynthèse des étoiles massives a montré que: (i) le rapport [O/Mg] des étoiles du bulbe suit et prolonge celui des étoiles des disques galactiques et sa décroissance aux fortes métallicités n'est pas prédite par les modèles des supernovae; (ii) le rapport [Na/Mg] augmente avec [Mg/H] suivant trois séquences distinctes dans les disques mince, épais et dans le bulbe. Ceci semble indiquer la présence d'une autre source de production de Na (AGB) qui s'ajouterait à celles des étoiles massives.
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Citer

Aurélie Lecureur. Contraintes observationnelles sur la formation et l’évolution chimique du bulbe galactique. Astrophysique [astro-ph]. Observatoire de Paris, 2007. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-02071421⟩

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