La recherche de naines brunes et étoiles de faible masse dans les associations cinématiques jeunes du voisinage solaire

Abstract

L’objectif principal de cette thèse est d’identifier les étoiles de faible masse et naines brunes membres d’associations cinématiques jeunes du voisinage solaire. Ces associations sont typiquement âgées de moins de 200 millions d’années et regroupent chacune un ensemble d’étoiles s’étant formées au même moment et dans un même environnement. La majorité de leurs membres d'environ plus de 0.3 fois la masse du Soleil sont déjà connus, cependant les membres moins massifs (et moins brillants) nous échappent encore. Leur identification permettra de lever le voile sur plusieurs questions fondamentales en astrophysique. En particulier, le fait de cibler des objets jeunes, encore chauds et lumineux par leur formation récente, permettra d’atteindre un régime de masses encore peu exploré, jusqu'à seulement quelques fois la masse de Jupiter. Elles nous permettront entre autres de contraindre la fonction de masse initiale et d'explorer la connection entre naines brunes et exoplanètes, étant donné que les moins massives des naines brunes jeunes auront des propriétés physiques très semblables aux exoplanètes géantes gazeuses.

Pour mener à bien ce projet, nous avons adapté l'outil statistique BANYAN I pour qu'il soit applicable aux objets de très faibles masses en plus de lui apporter plusieurs améliorations. Nous avons entre autres inclus l'utilisation de deux diagrammes couleur-magnitude permettant de différencier les étoiles de faible masse et naines brunes jeunes à celles plus vieilles, ajouté l'utilisation de probabilités a priori pour rendre les résultats plus réalistes, adapté les modèles spatiaux et cinématiques des associations jeunes en utilisant des ellipsoïdes gaussiennes tridimensionnelles dont l'alignement des axes est libre, effectué une analyse Monte Carlo pour caractériser le taux de faux-positifs et faux-négatifs, puis revu la structure du code informatique pour le rendre plus efficace.

Dans un premier temps, nous avons utilisé ce nouvel algorithme, BANYAN II, pour identifier 25 nouvelles candidates membres d'associations jeunes parmi un échantillon de 158 étoiles de faible masse (de types spectraux > M4) et naines brunes jeunes déjà connues. Nous avons ensuite effectué la corrélation croisée de deux catalogues couvrant tout le ciel en lumière proche-infrarouge et contenant ~ 500 millions d’objets célestes pour identifier environ 100 000 candidates naines brunes et étoiles de faible masse du voisinage solaire. À l'aide de l'outil BANYAN II, nous avons alors identifié quelques centaines d'objets appartenant fort probablement à une association jeune parmi cet échantillon et effectué un suivi spectroscopique en lumière proche-infrarouge pour les caractériser.

Les travaux présentés ici ont mené à l'identification de 79 candidates naines brunes jeunes ainsi que 150 candidates étoiles de faible masse jeunes, puis un suivi spectroscopique nous a permis de confirmer le jeune âge de 49 de ces naines brunes et 62 de ces étoiles de faible masse. Nous avons ainsi approximativement doublé le nombre de naines brunes jeunes connues, ce qui a ouvert la porte à une caractérisation statistique de leur population. Ces nouvelles naines brunes jeunes représentent un laboratoire idéal pour mieux comprendre l'atmosphère des exoplanètes géantes gazeuses. Nous avons identifié les premiers signes d’une remontée dans la fonction de masse initiale des naines brunes aux très faibles masses dans l'association jeune Tucana-Horologium, ce qui pourrait indiquer que l’éjection d’exoplanètes joue un rôle important dans la composition de leur population. Les résultats du suivi spectroscopique nous ont permis de construire une séquence empirique complète pour les types spectraux M5-L5 à l'âge du champ, à faible (β) et très faible (γ) gravité de surface. Nous avons effectué une comparaison de ces données aux modèles d'évolution et d'atmosphère, puis nous avons construit un ensemble de séquences empiriques de couleur-magnitude et types spectraux-magnitude pour les naines brunes jeunes. Finalement, nous avons découvert deux nouvelles exoplanètes par un suivi en imagerie directe des étoiles jeunes de faible masse identifiées dans ce projet. La future mission GAIA et le suivi spectroscopique complet des candidates présentées dans cette thèse permettront de confirmer leur appartenance aux associations jeunes et de contraindre la fonction de masse initiale dans le régime sous-stellaire.

The main objective of this thesis is the identification of low-mass star and brown dwarf members of young moving groups in the solar neighborhood. These associations are typically younger than 200 million years and include stars formed at the same time and in the same environment. The majority of their members with masses approximately larger than 0.3 times that of the Sun have already been discovered, however the less massive, fainter members are still elusive. Their identification will allow us to address several fundamental questions in astrophysics. In particular, uncovering young objects that are still warm because of their recent formation will allow us to probe masses down to only a few times the mass of Jupiter, a mass regime which is still poorly understood. They will allow us to constrain the initial mass function and explore the connection between brown dwarfs and exoplanets, given that the least massive brown dwarfs have physical properties similar to those of gaseous giant exoplanets.

In order to carry through this project, we have adapted the BANYAN I statistical tool to make it applicable to very low-mass objects in addition to bringing several improvements to the tool. We have included the use of two near-infrared color-magnitude diagrams that allow differentiating young low-mass stars and brown dwarfs from older objects, we added the use of prior probabilities to make its results more realistic, we adapted spatial and kinematic models of moving groups using tridimensional gaussian ellipsoids with axes free to rotate, we performed a Monte Carlo analysis to characterize the rate of false-positive and false-negatives, and we revised the structure of its source code to make it more efficient.

As a first step, we have used this new algorithm, BANYAN II, to identify 25 new candidate members among a sample of 158 known young low-mass stars (with spectral types > M4) and brown dwarfs. We have then performed a cross-correlation of two all-sky near-infrared catalogs consisting of ~ 500 million celestial objects to identify approximately 100 000 brown dwarf and low-mass star candidates in the solar neighborhood. We have identified a few hundred promising young association members in this sample with the BANYAN II tool, and have performed a near-infrared spectroscopic survey to characterize them.

The work presented here has led to the identification of 79 candidate young brown dwarfs and 150 candidate young low-mass stars, and a spectroscopic follow-up allowed us to confirm the young age of 49 brown dwarfs and 62 low-mass stars. We have thus boosted the number of known young brown dwarfs by a factor ~ 2, opening the door to a statistical characterization of their population. These new young brown dwarfs represent an ideal laboratory to better understand the atmospheres of gaseous giant exoplanets. We have identified the first signs of a turn-up in the initial mass function of very low-mass brown dwarfs in the Tucana-Horologium association, which could indicate that exoplanet scattering plays a significant role in composing their population. Results from this spectroscopic follow-up has allowed us to construct an complete empirical sequence of spectral types M5-L5 for field dwarfs, low-gravity (β) and very low-gravity (γ) dwarfs. We have performed a comparison of these new data with evolution and atmosphere models, and constructed a set of empirical spectral type-magnitude and color-magnitude sequences for young brown dwarfs. Finally, we have discovered two new exoplanets from a direct-imaging follow-up of low-mass stars discovered as part of this project. The future GAIA mission and the complete spectroscopic follow-up of the candidates presented in this thesis will allow to confirm their membership and to constrain the initial mass function in the substellar regime.