Note ABES Deciphering the dynamics of the Milky Way bar and spiral arms with Gaia Déchiffrer la dynamique de la barre et des bras spiraux de la Voie lactée avec Gaia Galaxie : disque Galaxie : évolution Galaxie : général Galaxie : cinématique et dynamique Galaxie : structure Galaxy: disk Galaxie : evolution Galaxy: general Galaxy: kinematics and dynamics Galaxy: structure 523.1 523.01 Voie lactée GAIA (satellite artificiel) Galaxies -- Évolution Modèles mathématiques 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. This thesis uses Gaia data to model the dynamics of the Milky Way, including the bar and spiral arms. The unprecedented precision of Gaia’s astrometric and kinematic measurements has enabled me to reveal the non-axisymmetric velocity field of the Galactic disk in detail, providing the basis for building models that extend beyond the traditional axisymmetric framework. A parametric Galactic potential is fitted to the data via a backward integration method, which makes use of the conservation of the stellar distribution function as governed by the Vlasov equation. By integrating orbits backward in time to an axisymmetric equilibrium state, I was able to evaluate the four-dimensional phase-space stellar distribution function in the Galactic plane, directly constrained by Gaia observations.This allowed me to achieve the first direct fit to the median radial velocity field of the disk as measured by Gaia, across a large portion of the Galactic plane. This is therefore the most realistic non-axisymmetric dynamical model of the Milky Way to date, simultaneously capturing the role of the bar and the spiral arms. The model reveals multiple spiral arm components with distinct pattern speeds and, despite being purely dynamical, it recovers the locations of several photometrically detected spiral over-densities. In particular, it identifies the Scutum–Local–Outer arms as slowly rotating and the Sagittarius–Carina–Perseus arms as having a somewhat higher pattern speed. It also naturally reproduces smaller-scale phase-space structures, such as the moving groups observed in the extended Solar neighborhood. I then generalized this model in three spatial dimensions with test-particle simulations, making it possible for future investigations to explore vertical perturbations and to investigate the link with the Galactic dark matter halo. These simulations provide a framework for studying the connection between disk dynamics, vertical disequilibrium such as phase-space spirals, and the long-term role of non-axisymmetric structures in galactic evolution. This approach will eventually enable detailed star-by-star comparisons in the study of stellar populations, representing a step toward a comprehensive dynamical model of the Milky Way that unifies its structure, kinematics, and chemical evolution. Electronic Thesis or Dissertation Text en PDF 26958027 https://publication-theses.unistra.fr/public/theses_doctorat/2025/KHALIL_Yassin_2025_ED182.pdf http://www.theses.fr/2025STRAE009/abes https://theses.hal.science/tel-05461858 https://theses.hal.science/tel-05461858 https://theses.hal.science/tel-05461858 Khalil Yassin Rany 1998-09-25 FR 29307500X 193829349CJ 22221868 4200002 https://theses.fr/2025STRAE009 2025STRAE009 https://doi.org/10.70675/e72bb0e4z821ez4053zbd31z5173a80f45d8 2025-09-30 Physique Strasbourg 131056549 Doctorat Docteur es non oui Famaey Benoit MADS_DIRECTEUR_DE_THESE_1 185764142 Boily Christian M. MADS_PRESIDENT_DU_JURY 076928241 Fouvry Jean-Baptiste MADS_MEMBRE_DU_JURY_1 198439458 Kraljic Katarina MADS_MEMBRE_DU_JURY_2 182797805 Lavalle Julien MADS_RAPPORTEUR_1 190120509 Recio-Blanco Alejandra MADS_RAPPORTEUR_2 179977199 École doctorale Physique et chimie-physique (Strasbourg ; 1994-....) MADS_ECOLE_DOCTORALE_1 182 156500019 Observatoire astronomique (Strasbourg) MADS_PARTENAIRE_DE_RECHERCHE_1 026396203 93746 ddc:520 Famaey Benoit Boily Christian M. Fouvry Jean-Baptiste Kraljic Katarina Lavalle Julien Recio-Blanco Alejandra École doctorale Physique et chimie-physique (Strasbourg ; 1994-....) Observatoire astronomique (Strasbourg) PDF 26958027