Âge cinématique des associations stellaires jeunes du voisinage solaire

Abstract

L'objectif de cette thèse est de développer une méthode numérique capable de calculer l'âge cinématique des associations stellaires jeunes du voisinage solaire. Ces associations de faible densité, gravitationnellement non liées, regroupent des étoiles s'étant formées à la même époque lors d'un seul évènement de formation stellaire. En retraçant les orbites galactiques de leurs membres, qui sont principalement des étoiles naines de type M de faible masse, il est possible de retrouver l'époque où leur étendue spatiale était minimale et de calculer leur âge sans recours à des modèles d'évolution stellaire. Cette approche, appelée la méthode du retracement (traceback), est d'un intérêt tout particulier, car des étoiles de faible masse à proximité du Soleil, avec des contraintes fiables sur leur âge, sont des cibles de choix pour la recherche et la caractérisation d'exoplanètes. L'outil d'analyse de retracement développé, le paquet python Kinematic Age for Nearby Young Associations (kanya), est appliqué sur un échantillon de membres validés du cœur de l'association β Pictoris (βPMG ; β Pictoris Moving Group), l'une des associations les plus proches et mieux étudiées, à l'aide des données astrométriques et cinématiques du catalogue Gaia DR3 et de nombreux relevés cinématiques à haute précision. Cette analyse démontre qu'il est nécessaire de minimiser la contamination de l'échantillon par des systèmes multiples non résolus et de corriger deux biais systématiques sur les mesures de vitesse radiale héliocentrique, soit le décalage vers le rouge gravitationnel et le décalage vers le bleu convectif, ainsi qu'un biais sur les âges de retracement dû aux erreurs de mesure. Parmi les métriques de la taille de l'association étudiées, la variance dans l'axe ξ′ (c'est-à-dire vers le centre galactique) offre le moins d'erreurs aléatoires et systématiques, grâce à la grande dispersion en vitesse spatiale de βPMG dans cet axe, et permet d'estimer l'âge de l'association à (20,3 ± 3,4) millions d'années (Ma). C'est la première fois qu'une méthode cinématique donne un résultat compatible avec les contraintes antérieures de la littérature scientifique sur l'âge de βPMG, obtenues avec les méthodes des isochrones et de la limite d'épuisement du lithium (LDB, lithium depletion boundary). Ce nouvel outil d'analyse de retracement est également appliqué aux associations Tucana-Horologium (THA ; Tucana-Horologium association), Columba (COL) et Carina (CAR). Bien que les membres de THA soient identifiés conformément aux limites établies de l'association, il n'y a pas de frontière claire entre les membres de COL et CAR, alors ces deux associations ont été combinées en un seul échantillon pour les fins de ces travaux. L'analyse de retracement démontre qu'une métrique plus générale de la taille de l'association, soit la longueur moyenne de toutes les branches reliant les membres de l'échantillon entre eux, est celle qui offre la meilleure combinaison de précision, fiabilité et contraste. kanya trouve un âge de (44,8^{+2,1}{-7,0}) Ma pour THA et de (28,4^{+1,8}{-2,9}) Ma pour COL et CAR, démontrant qu'il est possible de trouver un âge cinématique compatible avec d'autres contraintes de la littérature scientifique, obtenues avec les méthodes des isochrones et de la LDB, pour des associations aussi vieilles que THA, ainsi que pour COL et CAR. Dans le futur, cette méthode pourra être appliquée à d'autres associations locales jeunes grâce aux données des prochains catalogues issus de la mission Gaia. The objective of this thesis is to develop a numerical method able to compute the kinematic age of young stellar associations in the solar neighborhood. These sparse, gravitationally unbound associations are made up of stars formed at the same epoch during a single stellar formation event. By tracing back the Galactic orbits of their members, mainly low-mass M-dwarfs, it is possible to find their epoch of minimal spatial extent, and to compute their age without the need for stellar evolution models. This approach, called the traceback method, is of particular interest, since nearby low-mass stars, with reliable constraints on their age, are prime targets for the search and characterization of exoplanets. The custom traceback analysis tool, the Kinematic Age for Nearby Young Associations (kanya) python package, is applied to a core sample of vetted members the β Pictoris Moving Group (βPMG), one of the closest and most studied associations, using astrometric and kinematic data from the Gaia DR3 catalog and numerous high-precision kinematic surveys. This analysis demonstrates that it is necessary to minimize sample contamination by unresolved multiple systems, and to correct for two systematic biases on heliocentric radial velocity measurements, namely gravitational redshift and convective blueshift, as well as a bias on traceback ages due to measurement errors. Among the association size metrics that are investigated, the variance along the ξ′ axis (i.e., towards the Galactic Center) offers the least random and systematic errors due to the wider space velocity dispersion of βPMG along this axis, and provides an age estimate of (20.3 ± 3.4) megayears (Myr) for the association. This is the first time a kinematic method yields a result compatible with previous age constraints for βPMG from the scientific literature, computed with the isochrones and lithium depletion boundary (LDB) methods. This new traceback analysis tool is also applied to the Tucana-Horologium (THA), Columba (COL), and Carina (CAR) associations. While members of THA are identified in accordance to the established limits of the association, there is no clear boundary between members of COL and CAR, so these two associations were combined into a single sample for the purpose of this work. The traceback analysis shows that a more general association size metric, the mean length of all branches between members of the sample, is the one that offers the best combination of precision, accuracy, and contrast. kanya finds an age of (44.8^{+2.1}{-7.0}) Myr for THA, and (28.4^{+1.8}{-2.9}) Myr for COL and CAR, demonstrating that it is possible to use the traceback method to find a kinematic age compatible with other constraints from the scientific literature, computed with the isochrones and LDB methods, for associations as old as THA, as well as COL and CAR. In the future, this method could be applied to other nearby young associations using data from the upcoming releases of the Gaia catalog.