Étalonnage des relations brillance de surface-couleur : distance des binaires à éclipses dans le groupe local et préparation de la mission PLATO - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2021

Calibration of surface brightness-color relations : distance of eclipsing binaries in the local group and preparation of the PLATO mission

Étalonnage des relations brillance de surface-couleur : distance des binaires à éclipses dans le groupe local et préparation de la mission PLATO

Résumé

Surface Brightness-Color Relations (SBCRs) are a key tool for characterizing stars and calibrating distance scales in the Universe. These relations link the stellar flux (integrated per solid angle unit) to its color (the difference between the magnitudes calculated in two distinct photometric bands). Their ease of use is a major advantage in modern astronomy. Although widely used for decades, there are, however, differences in the calibration according to the spectral type and the luminosity class of stars. My thesis aims to calibrate precise SBCRs for early- and late-type stars in order to estimate the stellar angular diameter that allows to characterize exoplanets host stars and calibrate extragalactic distances using detached eclipsing binaries in neighboring galaxies such as the Magellanic clouds, M31 or M33.As a first step, I made use of a catalog that lists all the interferometric measurements made so far, namely the JMDC, in order to calibrate an accurate SBCR for late-type stars. The interest of such calibration relates to the characterization of exoplanets host stars, since these relations are intended to be used within the framework of the PLATO space mission. For that purpose, I have developed selection criteria based on the stellar activity, the photometry of stars but also on the quality of the interferometric measurements in order to avoid any bias in the calibration of the relation. In this work, I show a dependence of SBCRs on the spectral type and the luminosity class of stars, and develop four relations allowing to estimate the angular diameter of stars with a precision ranging between 1% and 2%. I also carry out tests proving the consistency of such selection criteria for the calibration of these relations.In order to cover a large sample of stars with different spectral types, I devoted two years of my thesis to the observation of early-type stars using the VEGA instrument installed at the CHARA array, at Mount Wilson, in the United States. In the same way as for late-type stars, I used selection criteria to properly construct my sample of 18 stars to observe. I measured the angular diameter of these stars with an accuracy between 0.8% and 5%, and calibrated a SBCR for early-type stars that allows to estimate their angular diameter with a precision of 2.4%, namely three times more precise than the relations calibrated so far for this type of stars. I also made a detailed study on the infrared photometry of stars. I used conversion relations between K and Ks photometries in order to transform the infrared photometries of stars into an uniform sample. I show that the use of these relations for early-type stars faces some limits, especially for stars with V – K < - 0.3 mag.A part of my thesis has finally been devoted to the development of so-called "theoretical" SBCRs using MARCS atmosphere models, in order to study the physics of SBCRs, and to understand their dependencies and the differences observed in their calibration. I find a dependence of SBCRs on the luminosity class and the spectral type of stars, but also on the metallicity. I show an average agreement of about 3% with my empirical SBCRs, and I suggest solutions to improve this consistency.The SPICA 6-telescope instrument will soon make it possible to carry out interferometric observations of a very large number of stars, and therefore to refine the calibration of SBCRs and access a more precise study of fundamental parameters of stars.
Les relations brillance de surface-couleur (SBCRs, en anglais) sont un outil clé pour la caractérisation des étoiles et l'étalonnage des distances dans l'Univers. La SBCR est une relation entre le flux de l'étoile, intégré par unité d'angle solide, et sa couleur, c'est-à-dire la différence entre les magnitudes calculées dans deux bandes photométriques distinctes. Leur facilité d'utilisation représente un atout majeur au sein de l'astronomie moderne. Bien que largement utilisées depuis des décennies, on constate cependant des incohérences selon le type spectral et la classe de luminosité des étoiles. Ma thèse a pour objectif d'étalonner des SBCRs précises pour les étoiles précoces (types spectraux O, B et A) et tardives (types spectraux plus tardifs que F) dans le but d'estimer le diamètre angulaire des étoiles, qui serviront à la caractérisation des étoiles hôtes d'exoplanètes mais aussi pour la détermination de distance des binaires à éclipses extragalactiques.En premier lieu, j'ai utilisé le catalogue répertoriant toutes les mesures interférométriques réalisées jusqu'à maintenant, le Jean-Marie Mariotti Center Measured stellar Diameters Catalog (JMDC), afin de développer des SBCRs précises pour les étoiles tardives. Ces relations visent à préparer la mission spatiale PLAnetary Transits and Oscillations of Stars (PLATO). Pour ce faire, j'ai élaboré des critères de sélection basés sur l'activité stellaire (variabilité, multiplicité, rotation, etc.), la photométrie des étoiles mais également sur la qualité des mesures afin d'éviter le maximum de biais éventuels sur l'étalonnage de la relation. J'ai développé quatre relations permettant d'estimer le diamètre angulaire des étoiles tardives entre 1% et 2% de précision, et j'ai montré une dépendance des SBCRs en fonction du type spectral et de la classe de luminosité des étoiles.J'ai consacré deux années de ma thèse à l'observation d'étoiles de types précoces à l'aide de l'instrument "Visible spEctroGraph and polArimeter" (VEGA) installé au centre d'observation "Center for High Angular Resolution Astronomy" (CHARA), au Mont Wilson, aux États-Unis. De la même manière que pour les étoiles tardives, j'ai eu recours à des critères de sélection pour finalement construire mon échantillon de 18 étoiles à observer. J'ai mesuré le diamètre angulaire de ces étoiles avec une précision comprise entre 0.8% et 5%, et j'ai développé une SBCR permettant d'estimer leur diamètre angulaire avec une précision de 2.4%, à condition que la relation soit appliquée à des étoiles dépourvues d'activité stellaire. J'ai également réalisé une étude détaillée sur la photométrie infrarouge des étoiles. J'ai utilisé des relations de conversion entre les photométries Johnson-K et 2MASS-Ks afin de transformer les photométries infrarouges des étoiles en un échantillon uniforme. Je montre que l'utilisation de ces relations pour ce type d'étoiles présente des limites, notamment pour les étoiles avec des couleurs V – K < - 0.3 mag.Une partie de ma thèse a finalement eu pour objectif de développer des SBCRs dites "théoriques" à l'aide de modèles d'atmosphères MARCS, afin de comprendre physiquement les différences observées entre les SBCRs correspondant à différentes classes d'objets. Je trouve une différence d'environ 0.025 mag entre la brillance de surface des étoiles géantes (log g = 3) et naines (log g = 4.5) pour une couleur V – K autour de 4 mag. Je trouve également des différences dans les SBCRs selon la métallicité des étoiles, et montre un accord moyen d'environ 3% avec mes relations empiriques. L'instrument 6-télescopes SPICA permettra prochainement de réaliser des observations interférométriques d'un très grand nombre d'étoiles, et donc d'affiner l'étalonnage des SBCRs, mais aussi d'accéder à une étude plus précise des paramètres fondamentaux des étoiles.
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Origine Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-03561155 , version 1 (08-02-2022)

Identifiants

  • HAL Id : tel-03561155 , version 1

Citer

Anthony Salsi. Étalonnage des relations brillance de surface-couleur : distance des binaires à éclipses dans le groupe local et préparation de la mission PLATO. Astrophysique [astro-ph]. Université Côte d'Azur, 2021. Français. ⟨NNT : 2021COAZ4077⟩. ⟨tel-03561155⟩
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