Déchiffrer la dynamique de la barre et des bras spiraux de la Voie lactée avec Gaia

Cette thèse utilise les données de Gaia pour modéliser la dynamique de la Voie lactée, en particulier la barre et les bras spiraux. La précision inédite des mesures astrométriques et cinématiques de Gaia m’a permis de mettre en évidence en détail le champ de vitesses non axisymétrique du disque galactique, base nécessaire à la construction de modèles dépassant le cadre axisymétrique traditionnel. Un potentiel galactique paramétrique est ajusté aux données à l’aide d’une méthode d’intégration rétrograde, fondée sur la conservation de la fonction de distribution stellaire décrite par l’équation de Vlasov. En intégrant les orbites en arrière dans le temps jusqu’à un état d’équilibre axisymétrique, j’ai pu évaluer la fonction de distribution stellaire à quatre dimensions de l’espace des phases dans le plan galactique, directement contrainte par les observations de Gaia. Cela m’a conduit au premier ajustement direct du champ de vitesses radiales médian du disque tel que mesuré par Gaia, sur une large portion du plan galactique. Il s’agit du modèle dynamique non axisymétrique le plus réaliste de la Voie lactée à ce jour, intégrant simultanément les effets de la barre et des bras spiraux. Le modèle révèle plusieurs composantes spirales à vitesses de rotation distinctes et, bien qu’étant purement dynamique, retrouve les positions de surdensités spirales identifiées photométriquement. En particulier, il associe les bras Scutum–Local–Outer à une rotation lente et les bras Sagittaire–Carina–Persée à une rotation légèrement plus rapide. Il reproduit aussi des structures de plus petite échelle, comme les groupes en mouvement observés dans le voisinage solaire. J’ai ensuite généralisé ce modèle en trois dimensions à l’aide de simulations de particules tests, permettant d’étudier les perturbations verticales et leur lien avec le halo de matière noire galactique. Ces simulations offrent un cadre pour relier la dynamique du disque, les déséquilibres verticaux comme les spirales de l’espace des phases, et le rôle à long terme des structures non axisymétriques dans l’évolution galactique. Cette approche ouvrira la voie à des comparaisons étoile par étoile des populations stellaires et constitue une étape vers un modèle dynamique global de la Voie lactée unifiant structure, cinématique et évolution chimique.