Thèse de doctorat Étude de la cinématique et de la population

Institut d’astrophysique de Paris
98 bis, boulevard Arago
75014 Paris
Université Paris VI — Pierre & Marie Curie
École doctorale
d’astronomie et d’astrophysique
d’Île de France
Thèse de doctorat
Thibaut PAUMARD
Étude de la cinématique et de la population
stellaire du Centre Galactique
Sous la direction de Jean-Pierre MAILLARD.
Soutenue le 19 septembre 2003 en présence des membres du jury :
Pierre Encrenaz, président ;
Thierry Montmerle, rapporteur ;
Daniel Rouan, rapporteur ;
Jean-Pierre Maillard, directeur de thèse ;
Jérôme Bouvier, examinateur ;
Mark Morris, examinateur ;
Alain Omont, examinateur.

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Remerciements
Je remercie en premier lieu Jean-Pierre Maillard, pour ces qualités en tant que di-
recteur de recherche : il m’a laissé beaucoup de liberté tout en restant disponible et en
me guidant quand j’en ai eu besoin. Je le remercie aussi pour ces qualités humaines, sa
gentillesse et sa cordialité.
Je remercie également Mark Morris, tout d’abord pour m’avoir accueilli dans son
laboratoire et introduit à l’environnement complexe du Centre Galactique, ensuite pour
les nombreux échanges que nous avons eus, au cours desquels il m’a beaucoup aidé
dans l’interprétation de nos résultats.
Je remercie Pierre Encrenaz pour m’avoir incité à choisir ce sujet et pour avoir tou-
jours soutenu ses élèves lorsqu’il était directeur du DEA de Paris 6, ainsi que tous les
membres du jury pour avoir pris la peine de lire et d’évaluer ce manuscrit.
Je remercie toutes les personnes qui ont participé à ce travail en fournissant des don-
nées, S. Stolovy, Y. Clénet et F. Rigaut, ainsi que M. A. Miville-Deschênes pour m’avoir
communiqué sont logiciel d’analyse cinématique.
Je remercie toutes les personnes qui ont rendu agréable autant qu’enrichissant mon
séjour à l’IAP en partageant mon quotidien, et en particulier ceux qui ont partagé mon
bureau à un moment ou à un autre : Bastien, Christophoros, Emmanuel D., Emmanuel
R., François (que je remercie également pour ses nombreux coups de mains), Frank, Julie
et Maria. Je remercie également Daoud pour son regard extérieur. Enfin, je remercie
Anne-Claire pour sa présence à mes côtés depuis le début de cette thèse.
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Résumé
La thèse porte sur l’étude de la formation stellaire et du gaz ionisé au voisinage du
trou noir central de la Galaxie. La concentration exceptionnelle d’étoiles très massives
dans le parsec central demeure inexpliquée. Comment ces étoiles se sont-elles formées ?
Comment est alimenté le gaz ionisé dans lequel baignent ces étoiles ? L’approche de ces
questions se trouve renouvelée par les nouveaux outils que constituent la spectroscopie
à intégrale de champ et l’imagerie avec optique adaptative. Ces deux techniques ont été
exploitées pour mener les études suivantes :
1. le comptage et la caractérisation des étoiles à émission d’hélium, à partir de
spectro-imagerie BEAR (spectromètre de Fourier imageur) dans la raie He Ià
2,06 µmet d’imagerie à haute résolution spatiale dans la bande K, dans le parsec
central. Ce projet a conduit à la mise en évidence de deux classes d’étoiles mas-
sives, séparées spatialement en un amas central d’étoiles de type LBV coïncidant
avec IRS 16, et, à la périphérie, des étoiles plus évoluées, au stade Wolf Rayet ;
2. l’analyse détaillée d’IRS 13E, l’une des plus brillantes de ces sources massives,
distante de 3,500 de Sgr A*, à partir d’imagerie à haute résolution (Gemini N, 3,6m
ESO, NICMOS-HST) dans sept filtres entre 1,1et 3,5µmet de données BEAR. Il a
été démontré que cet objet est un amas compact d’étoiles massives, d’un diamètre
de '1500 UA, contenant une LBV, une étoile O et quatre WR, dont trois poussié-
reuses. Cet amas est proposé comme étant le noyau résiduel d’un amas d’étoiles
très massives à l’origine, comme les Arches, formé à plusieurs parsecs de Sgr A*,
qui aurait été démantelé en spiralant autour du trou noir central. Cet amas serait
à l’origine des nombreuses étoiles chaudes, dont les étoiles à hélium, dans le par-
sec central. Les simulations montrent que ce scénario est possible (Kim et al. 2003;
McMillian & Portegies Zwart 2003).
3. l’analyse structurelle et dynamique des flots de gaz formant la nébulosité connue
sous le nom de Minispirale, à partir de l’émission dans la raie Brγde l’hydrogène
et dans la raie de He Ià2,06 µm. Il a été démontré que cet ensemble était plus
complexe que ce qui était appréhendé jusqu’à présent. Neuf structures indépen-
dantes se partageant en flots à grande vitesse et en petits nuages de gaz ionisé ont
été identifiées avec leur carte en vitesse. Une méthode originale d’analyse ciné-
matique a été développée, apportant des résultats nouveaux sur la dynamique du
principal flot, le Bras Nord, dont la partie centrale a été modélisée comme étant
un système keplérien, vraisemblablement instable. Ce modèle apporte également
des informations sur la géométrie et les échelles de temps caractérisant cet objet,
et ses interactions avec les étoiles massives.
L’ensemble de ces observations permet de dégager un scénario pour expliquer la
présence d’une concentration exceptionnelle d’étoiles très massives dans un environne-
ment où leur formation devrait être rendue impossible par les forces de marée exercées
par le trou noir central. Il apparaît que la perte de masse des étoiles à hélium ne contri-
bue pas directement à l’alimentation du gaz ionisé. L’analyse est consistante avec la
Minispirale étant formée des fronts d’ionisation de grands nuages de poussière par le
flux UV des étoiles chaudes.
Mots clefs : Centre Galactique – étoiles : Wolf-Rayet – formation d’étoiles massives –
objet : Sgr A Ouest – milieu interstellaire : dynamique – source X ponctuelle – instru-
mentation : optique adaptative – instrumentation : spectro-imagerie infrarouge