Production of s-elements in the Milky Way : contributions from ground-based and space spectroscopic surveys
Production des éléments s dans la Voie Lactée : apports des relevés spectroscopiques au sol et dans l'espace
Résumé
In-depth studies of our Galaxy have revealed the presence of many distinct but interconnected structures.In order to trace the formation and evolution of our Galaxy, the study of the dynamics, kinematics and chemistry of a very large sample of stars of its stars is of crucial importance. Among the different observing methods available, spectroscopy offers the possibility to relate the absorption spectra of stars to chemo-physical parameters such as surface chemical abundances.However, not all chemical elements are produced by the same sources and nucleosynthesis channels. For instance, massive stars and especially Asymptotic Giant Branch stars (AGBs) are the main sources of the formation of elements formed by captures of slow neutrons in stellar interior. Such s-process elements are located around three peaks : Zr, Ce-Nd and Pb. The study of these heavy elements makes it possible to highlight the various nucleosynthesis channels that have enriched the interstellar medium and to constrain and betterunderstand the nucleosynthesis within AGBs.On another hand, Galactic Archaeology relies on the study of a large amount of stars in order to statistically characterise the different Galactic components. Within this context, the latest Gaia data release contains for the first time spectroscopic data from all-sky space allowing the parametrization of an unprecedented number of stars.Indeed, among the 5.6 million stars with spectroscopic atmospheric parameters published with the Gaia DR3, most of them are complemented by up to 13 individual chemical abundances, among which s-process element abundances of Ce and Nd were published. Such chemical abundances were determined through the comparison between observed and synthetic spectra by the DPAC/GSP-Spec pipeline. The latter requires an accurate line list of atomic (and molecular) transitions for the computation of realistic model spectra. The first goal of this thesis was to build an improved line list for the analysis of Gaia/RVS spectra.To build such a linelist, we started with the one publised by the Gaia-ESO survey. We selected six reference stars covering a wide range of atmopsheric parameters and computed their synthetic spectra. We compared them with observed ones at low and high spectral resolution. We then identified the lines with the largest mismatches and calibrated their oscillator strength.Thanks to the published GSP-Spec abundances, we then studied the cerium content of the Milky Way disc. We found a rather flat [Ce/Fe] versus [M/H] trend. We also report an increasing [Ce/Ca] versus [Ca/H], illustrating the late contribution of AGBs with respect to supernovae of type II for Ce production. In the Galactic halo population, we found 11 stars with cerium abundances belonging to accreted systems. A smaller Ce abundance may be linked to a lower mass of the progenitor.We also investigated the Ce and Nd abundances in the GSP-Spec AGB stars. We found a good correlation between Ce and Nd abundances in AGB stars. We also found higher Ce and Nd abundances for more evolved AGB stars of similar metallicity, illustrating the successive mixing episodes enriching the AGB surface in s-process elements formed deeper in their stellar interior. We then compared the observed Ce and Nd abundances with AGB models and found that the higher Ce and Nd abundancescan mainly be explained by AGBs of initial mass between 1.5 and 2.5 Ms.To complement these studies on the second peak of s-process elements (Ce and Nd), we have also analysed the Pb (third peak) content of the Milky Way with ground-based spectra within the AMBRE project. We found a sample of about 700 stars with Pb abundance, which is the largest sample of Pb abundances ever published.In summary, thanks to the Gaia mission and to very large samples of s-process element abundances, we have been able to study their content in the Milky Way and in AGB stars.
Des études approfondies de notre Galaxie ont révélé la présence de nombreuses structures distinctes mais interconnectées.Afin de tracer la formation et l'évolution de notre Galaxie, l'étude des propriétés dynamiques, cinématiques et chimiques d'un large échantillon d'étoiles est crucial. Notamment grâce à la spectroscopie, il est possible de relier le spectre d'absorption des étoiles à leurs paramètres physico-chimiques comme leur abondance chimique de surface.Cependant, tous les éléments chimiques ne sont pas produits par les mêmes voies de nucléosynthèse. Par exemple, les étoiles massives et surtout les AGBs sont les principales sources de formation des éléments crées par capture de neutrons lents dans les couches internes de l'étoile. Ces éléments s sont localisés autour de trois pics: Zr, Ce-Nd et Pb. L'étude de ces éléments permet de mettre en lumière les voies de nucléosynthèse ayant enrichi le milieu interstellaire et de contraindre la nucléosynthèse au sein des AGBs.D'autre part, l'archéologie galactique repose sur l'étude d'un grand nombre d'étoiles pour caractériser les différentes composantes de la Galaxie. C'est dans ce contexte que le dernier relevé de la mission spatiale Gaia contient, pour la première fois, les données spectroscopiques permettant la paramétrisation d'un nombre sans précédent d'étoiles.Parmi les 5,6 millions d'étoiles ayant des paramètres atmosphériques spectroscopiques publiés dans le troisième relevé Gaia, la plupart sont complétés par jusqu'à 13 abondances chimiques individuelles, parmi lesquels se trouve des abondances d'éléments s (Ce et Nd). Ces abondances chimiques sont déterminées par la comparaison entre les spectres observés et les spectres synthétiques par le module GSP-Spec. Cette analyse nécessite une liste précise des transitions atomiques (et moléculaires) pour le calcul de spectres synthétiques réalistes.Afin de construire une telle liste, nous avons débuté avec la liste de raies publiée par le relevé Gaia-ESO. Nous avons sélectionné six étoiles de références couvrant un vaste domaines de paramètres atmopshériques et calculé leur spectre synthétique. Nous les avons comparé avec des spectres observés à basse et haute résolution spectrale. Nous avons identifié les raies avec les plus grandes différences et calibré leur force d'oscillateur.Grâce aux abondances publiées par GSP-Spec, nous avons étudié le contenu en cérium du disque de la Voie Lactée. Nous avons trouvé une absence de variation de [Ce/Fe] en fonction de [M/H]. Nous avons aussi observé un rapport [Ce/Ca] croissant en fonction de [Ca/H], illustrant la contribution tardive des AGBs par rapport aux supernovae de type II. Dans le halo, nous avons identifié 11 étoiles avec des abondances de Ce appartenant à des systèmes accrétés. Une abondance de Ce plus faible semble liée à une masse plus faible du progéniteur.Nous avons ensuite étudié les abondances de Ce et Nd dans les AGBs de GSP-Spec et avons trouvé une bonne corrélation entre ces deux éléments. Nous avons aussi trouvé des abondances de Ce et de Nd plus élevées pour les AGBs plus évoluées à métallicité similaire, illustrant les épisodes de mélange successifs enrichissant leur surface en éléments s. Nous avons comparé les abondances de Ce et de Nd observées avec les modèles d'AGB et nous avons trouvé que les abondances plus élevées de Ce et de Nd peuvent s'expliquer par des AGBs de masse initiale entre 1.5 et 2.5 Ms.Pour compléter ces études sur le deuxième pic des éléments du processus s, nous avons aussi analysé le contenu en Pb (troisième pic) de la Voie Lactée avec des spectres au sol dans le cadre du projet AMBRE. Nous avons établi un échantillon d'environ 700 étoiles avec une abondance de Pb, ce qui est le plus grand échantillon d'abondances de Pb jamais publié.En résumé, grâce à la mission Gaia et un grand échantillon d'abondances d'éléments du processus s, nous avons pu étudié leur contenu dans la Voie Lactée et dans les étoiles AGB.
Domaines
Astrophysique [astro-ph]
Origine : Version validée par le jury (STAR)