Danseurs Galactiques : une étude dynamique des amas stellaires globulaires

Globular clusters are roughly spherical collections of hundreds of thousands or millions of stars that orbit a host galaxy. Very old, with typical ages similar to the one of their hosts, these dense clusters hold many interesting aspects that make them a great laboratory to study astrophysics. For instance, their dense environment contributes to increased dynamical interactions between its stars, sometimes giving birth to exotic objects like black holes with masses within the pair-instability gap, cataclysmic variables and pulsars. Their continuous tidal interactions with their host galaxy might also produce long and prominent stellar streams that tell much about the past dynamical history of themselves, and of their host. Other aspects such as different chemical populations and the fact that there is still no consensus on how globular clusters were formed makes the study of these sources challenging and exciting. Given the interesting possibilities that globular clusters offer to learn physics, this thesis was focused in understanding and modelling their internal and external dynamical interactions, using both simulations and state-of-the-art data from the Hubble Space Telescope (HST) and the Gaia astrometric mission. I have analysed aspects such as core-collapse, tidal interactions and mass segregation, how they can be measured from data and how they influence different aspects of stellar and orbital evolution. Among the noteworthy accomplishments of this thesis, it is important to mention (1) the improvements in data modelling concerning density profiles, proper motion measurements and Jeans kinematic modelling; (2) the detection of sub-clusters of stellar remnants in the cores of nearby globular clusters, which might be associated to exquisite events like fast radio bursts, compact object mergers, and gravitational waves; and (3) the presentation of new constraints on globular cluster formation scenarios, especially the one pertaining the presence of a dark matter mini-halo. The results obtained over the course of this work and the methods that I developed will contribute to the overall effort to better understand the internal and external evolution of globular clusters, and to make the best use of large astrometric data sets like Gaia and HST, and in the future, the James Webb Space Telescope and the Nancy Grace Roman Space Telescope.Les amas globulaires sont des ensembles quasi-sphériques de centaines de milliers ou millions d'étoiles qui orbitent autour d'une galaxie hôte. Très anciens, avec des âges similaires à celui de leurs hôtes, ces amas denses recèlent de nombreux aspects intéressants qui en font un formidable laboratoire pour étudier de l'astrophysique. Par exemple, leur environnement dense contribue à accroître les interactions dynamiques entre ses étoiles, donnant parfois naissance à des objets exotiques comme des trous noirs avec des masses dans l'intervalle à instabilité de paires, des variables cataclysmiques et des pulsars. Leurs continuelles interactions de marée avec leur galaxie hôte pourraient également produire de longs courants stellaires proéminents. Ces derniers témoignent de l’interaction dynamique passée des amas et de leur hôte. D'autres aspects tels que les différentes populations chimiques et l’absence de consensus concernant le mécanisme de formation des amas globulaires rendent l'étude de ces sources difficile et passionnante. Compte tenu des possibilités intéressantes qu'offrent les amas globulaires pour en apprendre davantage sur leur physique, cette thèse s'est concentrée sur la compréhension et la modélisation de leurs interactions dynamiques internes et externes, en utilisant à la fois des simulations et des données de pointe du télescope spatial Hubble (HST) et de la mission astrométrique Gaia. J'ai analysé des phénomènes physiques clés des amas tels que l'effondrement du cœur, les interactions de marée et la ségrégation de masse, mais aussi comment ils peuvent être mesurés à partir de données et comment ils influencent différents aspects de l'évolution stellaire et orbitale. Parmi les réalisations notables de cette thèse, il est important de mentionner (1) les améliorations dans la modélisation des données concernant les profils de densité, les mesures de mouvement propre et la modélisation cinématique de Jeans; (2) la détection de sous-amas de rémanents stellaires dans les noyaux d'amas globulaires proches, qui pourraient être associés à des événements exotiques comme des sursauts radio rapides, des fusions d'objets compacts et des ondes gravitationnelles ; et (3) la présentation de nouvelles contraintes sur les scénarios de formation d'amas globulaires, en particulier celle relative à la présence d'un mini-halo de matière noire. Les résultats obtenus au cours de ce travail et les méthodes que j'ai développées contribuent à l'effort global pour mieux comprendre l'évolution interne et externe des amas globulaires, et pour tirer le meilleur parti des grands ensembles de données astrométriques comme Gaia et HST, et à l'avenir, les télescopes spatiaux James Webb et Nancy Grace Roman