A la recherche de structures stellaires du disque galactique au halo de la galaxie d'Andromède

Cette these a pour but la recherche et l’etude des structures stellaires resultant de l’accretion de galaxies naines par notre Voie Lactee ou la galaxie d’Andromede (M31). En effet, les theories actuelles sur la formation des halos de galaxies indiquent qu’ils pourraient se construire avec le temps par l’absorption successive de petites structures galactiques. Dans la theorie LCDM actuellement privilegiee, plusieurs centaines de ces fragments proto-galactiques sont necessaires pour former le halo d’une grosse galaxie comme la Voie Lactee ou M31. Les importantes forces de maree misent en jeu detruisent ces structures et produisent des courants d’etoiles et de matiere noire le long de leur orbite. Bien que l’etude de ces structures est necessaire pour comprendre la formation des galaxies, seuls les courants les plus massifs ont jusqu’a present ete etudies : celui qui est produit par l’accretion de la galaxie naine du Sagittaire autour de notre Galaxie et un courant geant qui s’etend sur plus de 100 kiloparsecs dans le halo de la galaxie d’Andromede. Afin de comprendre la formation du Groupe Local et la repartition de la matiere noire dans les halos, il est primordial de detecter et de quantifier les courants d’accretions plus anciens ou provenant de plus petits satellites. La publication de catalogues d’etoiles couvrant une part importante du ciel (2MASS, DENIS, SDSS) est une etape importante dans cette recherche car ils permettent de sonder et d’etudier en detail le halo et les regions exterieures du disque Galactique. En particulier, notre connaissance des parties exterieures des disques galactiques a ete grandement modifiee par la decouverte de nombreuses structures stellaires qui semblent etre les restes de galaxies naines accretees sur la Voie Lactee. Des structures similaires ont aussi ete mises en evidence autour de la galaxie d’Andromede et pourraient indiquer un comportement general des galaxies spirales. Sur les bords de la Voie Lactee, la plus evidente de ces structures est l’Anneau de la Licorne, une structure stellaire qui semblent entourer le disque Galactique. La premiere partie de cette these se concentre sur la recherche du progeniteur de cet Anneau. A partir du catalogue stellaire 2MASS qui couvre tout le ciel dans l’infra-rouge proche, j’ai trace la distribution des etoiles de la branche des geantes et des etoiles du Red Clump et ai revele la presence d’une importante surdensite d’etoiles dans la constellation de Canis Major. Cette surdensite, restee jusqu’a present cachee dans la poussiere et la forte densite d’etoiles du disque Galactique, se situe au bord du disque, a environ un kiloparsec sous le plan Galactique. De forme elliptique, elle a une faible epaisseur et contient majoritairement une population stellaire d’ âge intermediaire a ancien. Afin d’obtenir une meilleure comprehension de cette structure, je presente des donnees spectroscopiques de ses etoiles, obtenues a partir de trois instruments differents : un echantillon de pres de 2 000 spectres observes avec le 2-degree Field sur l’Anglo-Australian Telescope dont la reduction a necessite que je mette en place un nouveau protocole de reduction ; pres de 1 000 spectres haute resolution observes avec l’instrument FLAMES monte sur le Very Large Telescope ; et plus de 600 spectres observes avec le nouvel instrument AAOMEGA, remplacant du 2-degree Field. Ce dernier jeu de donnees represente les premieres observations scientifiques obtenues avec cet instrument et, par comparaison avec les donnees FLAMES, je montre son tres bon comportement. La comparaison de l’ensemble de ces donnees avec des modeles de la Voie Lactee montre que la surdensite de Canis Major ne peut etre expliquee par notre connaissance actuelle de la morphologie de la Galaxie. J’en conclus que cette structure pourrait etre les restes d’une accretion dans le plan Galactique, potentiellement a l’origine de l’Anneau de la Licorne. Les etoiles de la surdensite suivent une orbite qui pourrait etre compatible avec une telle accretion et, par l’intermediaire de simulations numeriques, je montre en outre qu’un tel phenomene reproduit naturellement l’Anneau de la Licorne. Les vitesses radiales observees ne sont cependant pas incompatibles avec celles du disque Galactique et la structure pourrait aussi etre une sous-structure du disque. L’analyse de plusieurs jeux de donnees me permet par ailleurs de reveler la presence de l’Anneau de la Licorne derriere la surdensite de Canis Major, devant la galaxie naine de Carina et devant la galaxie d’Andromede. L’ensemble de ces nouvelles detections permet de contraindre l’orbite du progeniteur de l’Anneau sur presque tout les deuxieme et troisieme quadrants Galactiques. Mes simulations indiquent que l’Anneau n’est pas une structure homogene mais doit etre produit par la superposition sur le ciel des courants de maree d’une meme accretion, enroules plusieurs fois autour de la Voie Lactee. Dans la deuxieme partie de cette these, j’etudie le halo de la galaxie d’Andromede afin d’y quantifier les structures stellaires. En effet, une des difficultes majeures que rencontrent les modeles de formation galactique est leur surproduction, d’un facteur dix a cent par rapport aux observations, de satellites autour des galaxies telles la Voie Lactee ou la galaxie d’Andromede. Il est donc primordial de s’assurer que ces satellites, invisibles dans les observations effectuees jusqu’alors ne sont pas en fait fortement domines par la matiere noire et, de ce fait, tres peu lumineux. Pour cette etude, j’utilise des donnees de la camera grand champ Mega- Cam, montee sur le Telescope Canada-France-Hawai. Le catalogue obtenu couvre un quart du halo de M31, d’une distance projetee de 50 a 150 kiloparsecs de celle-ci et il permet de suivre trois magnitudes de la branche des geantes de populations stellaires a cette distance. A partir de cet impressionnant releve, je montre l’existence de seulement trois galaxies naines faiblement lumineuses dans cette partie du halo de la galaxie d’Andromede. La proximite de ces trois satellites et leur grande similitude pourraient par ailleurs indiquer qu’ils ont ete amenes dans le halo de M31 par le meme mecanisme. Une recherche automatique de sous-structures plus diffuses indique la presence d’une quinzaine de satellites potentiels qui pourraient donc resoudre le probleme des satellites manquants s’ils sont confirmes par des observations plus profondes. Enfin, je montre que le halo exterieur de M31 presente aussi des signes d’accretions passees. Le releve me permet de mieux caracteriser le courant de maree geant deja mis en evidence. Je montre qu’il contient une population stellaire riche en metaux concentree dans ses parties centrales, typique de l’accretion d’une petite galaxie disque. Je mets par ailleurs en evidence plusieurs structures stellaires visibles jusqu’aux parties exterieures du halo de M31 et qui semblent etre des courants d’accretion diffus. L’ensemble de ces travaux montre que les halos de la Voie Lactee et de la galaxie d’Andromede sont, encore a notre epoque, profondement influences par les accretions de galaxies satellites qui les peuplent de courants stellaires. L’etude de ces courants stellaires est donc primordiale pour comprendre l’histoire de la formation des galaxies.

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