Imagerie interférométrique infrarouge et perspectives pour l'observation interférométrique du Centre Galactique : le projet GRAVITY

Infrared interferometric imaging and prospectives for the interferometric observation of the Galactic center : the GRAVITY project

• Auteur / Autrice : Xavier Haubois
• Direction : Guy Perrin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Astronomie et astrophysique
• Date : Soutenance en 2009
• Etablissement(s) : Observatoire de Paris (1667-....)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Astronomie et astrophysique d'Île-de-France (Meudon, Hauts-de-Seine1992-....)
• Jury : Président / Présidente : Didier Pelat
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Guy Perrin, Farrokh Vakili, Mark R. Morris, Jean-Philippe Berger, Eric Josselin, Jean-Pierre Maillard
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Farrokh Vakili, Mark R. Morris

Mots clés

Mots clés contrôlés

Interféromètres

Centre galactique

Supergéantes

Trous noirs (astronomie)

Résumé

Le centre de la Galaxie abrite un trou noir supermassif nommé Sgr A*. Grâce à l'instrument GRAVITY, les capacités de haute résolution angulaire du VLTI permettront pour la première fois l'observation directe de l'environnement immédiat d'un tel trou noir. Pour atteindre ces buts astrophysiques, il est nécessaire d'obtenir des observables interférométriques de grande précision et d'appliquer des techniques de reconstruction d'images. Dans ce contexte, j'ai pu dans une première partie de ma thèse, employer différentes méthodes d'imagerie interférométrique en infrarouge suite à l'observation de la supergéante rouge Orionis (Bételgeuse) avec l'interféromètre à trois télescopes IOTA. Ces travaux ont pu notamment conduire à la mise en évidence de structures asymétriques brillantes à la surface de l'étoile qui sont très probablement de nature convective. La précision des observables interférométriques conditionne la qualité de la reconstruction d'image. Dans une deuxième partie, j'ai pu pratiquer une étude des performances interférométriques simulées de GRAVITY afin d'estimer la précision sur les phases et visibilités qu'il fournira. Afin d'optimiser les futures observations de GRAVITY, il est essentiel d'avoir une idée des caractéristiques spatiales et temporelles de son objectif scientique majeur qu'est Sgr A*. Pour cela, j'ai pu finalement participer à une campagne d'observation multi-longueurs d'onde de l'environnement de ce trou noir. A cette occasion, j'ai utilisé le mode BURST du spectro-imageur VISIR pour obtenir une haute résolution angulaire et une grande sensibilité au rayonnement de Sgr A*. Ceci m'a conduit à obtenir une limite supérieure la plus basse jamais enregistrée à 8,6 microns. Autre fait marquant, ces observations ont révélé la présence d'un sursaut en proche infrarouge. Si le processus de rayonnement n'est pas encore parfaitement modélisé, ces observations tendent à confirmer que les sursauts tirent leur origine d'un mouvement orbital de matière à quelques rayons de Schwarzschild de Sgr A*. Grâce à sa précision astrométrique de 10 micro-secondes d'angle, correspondant à un rayon de Schwarzschild à la distance du Centre Galactique, GRAVITY sera en mesure de résoudre le mouvement orbital de ces spots de matière et de comprendre la nature d'un tel rayonnement. De plus, il permettra également la mesure directe de la métrique d'espace-temps et l'étude de la relativité générale en champ fort.

The Galactic Center hosts a supermassive black hole called Sgr A*. Thanks to the GRAVITY instrument, the high angular resolution that the VLTI delivers will allow the direct observation of the immediate vicinity of such a black hole. To reach these astrophysical goals, it is mandatory to get very accurate interferometric observables to sucessfully apply imaging reconstruction methods. In that framework and as the first part of my thesis, I could use different infrared interferometric imaging techniques applied to the data obtained on the red supergiant Orionis (Betelgeuse) with the three telescope interferometer IOTA. These works have unveiled the presence of bright asymmetric structures on the stellar surface whose origin is likely to be convective. The quality of image reconstruction depends on the accuracy of the interferometric observables. In a second part of my thesis, I could study the simulated interferometric performances of GRAVITY to estimate the accuracy on phases and visibilities and checked that they met the requirements. Finally, in order to optimize the GRAVITY future observations, it is important to get an estimation of the spatial and temporal behaviour of its primary scientific goal : Sgr A*. To that aim, I could participate to a large multi-wavelength observation campaign of Sgr A*. I could use the BURST mode of the VISIR spectro-imager to get a high resolution on images and a high sensitivity to Sgr A* radiations. This allowed me to derive an unprecedented upper limit on Sgr A* flux at 8. 6 microns. These observations also showed a flare in L' band exhibiting a quasi-periodicity that is twice longer than the ones previously observed. If the radiating process is still not fully understood, these observations confirm that the flares are due to the orbital motion of matter at a few Schwarzschild radii of Sgr A*. Thanks to an astrometric accuracy of 10 μas, which represents 1 Schwarzschild radius at the distance of the Galactic Center, GRAVITY will be able to resolve the orbital motion of these hot spots and to understand the nature of these radiations. Moreover, it will also allow to directly measure the space-time metric and test general relativity in strong field regime due the presence of a supermassive black hole located at the center of a galaxy.