L’enveloppe circumstellaire des Céphéides et l’étalonnage des distances dans l’Univers

Circumstellar envelopes of Cepheids and the calibration of the distances in the Universe

• Auteur / Autrice : Vincent Hocdé
• Direction : Nicolas Nardetto, Éric Lagadec
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de la Planète et de l'Univers
• Date : Soutenance le 20/11/2020
• Etablissement(s) : Université Côte d'Azur
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences fondamentales et appliquées (Nice ; 2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Joseph-Louis Lagrange (Nice, Alpes-Maritimes ; 2012-....) - Observatoire de la Côte d'Azur
• Jury : Président / Présidente : Marie-Jo Goupil
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Nicolas Nardetto, Éric Lagadec, Marie-Jo Goupil, Agnès Lebre, Katrien Kolenberg, Martin Arnold Theodoor Groenewegen
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Agnès Lebre, Katrien Kolenberg

Mots clés

Mots clés contrôlés

Astrophysique

Céphéides

Mots clés libres

Céphéides

Excès infrarouge

Enveloppe circumstellaire

Atmosphère

Étalonnage des distances extragalactiques

Cepheids

Infrared excess

Circumstellar matter

Atmosphere

Extragalactic distance scale

Résumé

Les Céphéides occupent une place centrale dans l'étalonnage des distances dans l'Univers. Cependant ces étoiles semblent présenter un excès infrarouge qui pourrait prendre son origine dans leur enveloppe circumstellaire, et ainsi entraîner des biais photométriques dans le calcul des distances. Or la nature et l'origine de ces enveloppes, de même que les mécanismes physiques responsables de l'excès infrarouge demeurent inconnus. La thèse a pour objectif de déterminer les mécanismes physiques à l'origine de l'excès infrarouge des Céphéides provenant de leur enveloppe circumstellaire, et d'évaluer ses effets sur l'étalonnage des distances dans l'Univers. Dans une première partie je reconstruis l'excès infrarouge de 5 Céphéides Galactiques en comparant des observations spectroscopiques du télescope spatial Spitzer avec le modèle de photosphère de ces Céphéides au cours du cycle de pulsation. Je montre que la plus grande partie de l'excès infrarouge ne peut-être expliquée par une enveloppe de poussière. Je considère ensuite un modèle analytique de coquille de gaz d'hydrogène ionisé. L'ajustement des paramètres physiques de ce modèle me permet de reproduire l'excès infrarouge de manière satisfaisante. En particulier, je détermine des enveloppes dont le rayon est d'environ 1.15 Rstar c'est à dire dans une région qui pourrait être assimilée à la basse chromosphère des Céphéides. Pour mieux comprendre l'origine du gaz ionisé, j'étudie ensuite les profils à haute résolution spectrale des raies de Halpha et du triplet du calcium obtenus par le spectroscope UVES au VLTI, à partir d'un échantillon de 24 Céphéides, au cours du cycle de pulsation. Je montre que la chromosphère est activée à chaque cycle par la propagation du choc supersonique principal, qui chauffe et ionise le gaz de l'atmosphère. La retombée balistique des plus hautes couches peut aussi accélérer jusqu'à atteindre une vitesse supersonique et ioniser le gaz. Dans le cas des Céphéides de longues périodes, la dé-synchronisation entre la propagation du choc et la retombée de l'atmosphère provoque un profil en double absorption qui me permet d'estimer le rayon de la chromosphère à 1.5Rstar En outre, des raies d'absorption de Halpha centrées sur le référentiel de l'étoile suggèrent l'existence d'enveloppes de gaz à au moins 2 Rstar. Enfin, grâce aux observations interférométriques que j'ai réalisées à l'aide de l'instrument MATISSE/VLTI dans le cadre du consortium, j'apporte de nouvelles contraintes dans les bandes infrarouges L, M et N en étudiant la Céphéide l Car. Je montre pour la première fois l'existence d'un environnement centro-symétrique résolu en bande L, dont le rayon est d'environ 1.9 Rstar, en accord avec de précédentes observations interférométriques en bande K. De plus, l'analyse des spectres obtenus montre de manière significative l'absence de signature de poussière, renforçant une nouvelle fois l'hypothèse d'une enveloppe gazeuse. Cependant, le modèle de coquille de gaz ionisé ne peut pas reproduire en même temps l'excès IR et la taille déterminée par MATISSE (1.15 Rstar versus 1.9 Rstar). Une perspective théorique d'amélioration du modèle consiste à étudier l'hydrogène négatif comme source d'opacité du gaz. De nouvelles observations à venir avec l'instrument MATISSE permettront d'étudier les propriétés des enveloppes en fonction de la position des Céphéides dans le diagramme HR. L'objectif de ces observations est de permettre d'établir une grille de corrections photométriques à appliquer lors de la détermination de la distance des Céphéides.

Cepheids are essential to calibrate the distances in the Universe. However, these stars exhibit an infrared excess which could originate in their circumstellar envelope, and thus lead to photometric biases in the calculation of distances. However, the nature and origin of these envelopes, as well as the physical mechanisms responsible for the infrared excess remain unknown. The objective of this thesis is to determine the physical mechanisms at the origin of the infrared excess of Cepheids coming from their circumstellar envelope, and to evaluate its effects on the calibration of distances in the Universe.In the first part, I reconstruct the infrared excess of 5 Galactic Cepheids by comparing spectroscopic observations of the Spitzer space telescope with the photosphere model of these Cepheids during the pulsation cycle. I show that most of the excess infrared cannot be explained by a dust envelope. I then consider an analytical model of an ionized hydrogen gas shell. Adjusting the physical parameters of this model allows me to reproduce the excess infrared satisfactorily. In particular, I determine envelopes whose radius is about 1.15 Rstar, that is in a region which could be assimilated to the lower chromosphere of the Cepheids. To better understand the origin of the ionized gas, I then study high spectral resolution profiles of Halpha and calcium infrared triplet lines obtained by the UVES spectroscope at VLTI, from a sample of 24 Cepheids, during the pulse cycle. I show that the chromosphere is activated in each cycle by the propagation of the main supersonic shock, which heats up and ionizes the gas in the atmosphere. The ballistic fallout from the higher layers can also accelerate to supersonic speed and ionize the gas. In the case of Cepheids of long periods, the de-synchronization between the propagation of the shock and the fallout of the atmosphere causes a double absorption profile which allows me to estimate the radius of the chromosphere at 1.5 Rstar. In addition, absorption lines of Halpha centered on the star's frame of reference suggest the existence of gas envelopes at a distance of at least 2 Rstar. Finally, thanks to the interferometric observations that I carried out using the MATISSE/VLTI instrument within the framework of the consortium, I bring new constraints in the infrared bands L, M and N in studying the Cepheid l Car. I show for the first time the existence of a centro-symmetric environment resolved in L band, whose radius represents about 1.9 Rstar, in agreement with previous interferometric observations in K band. In addition, the analysis of the observed spectra show the absence of significant dust signature, once again reinforcing the hypothesis of a gaseous envelope. However, the radius of the envelope thus determined requires to improve the model of an envelope of ionized gas, which cannot simultaneously reproduce the IR excess and the size determined by MATISSE. A theoretical perspective of improving the model consists in studying negative hydrogen as a source of gas opacity. New observations to come with the MATISSE instrument will make it possible to study the properties of the envelopes as a function of the position of the Cepheids in the HR diagram. The objective of these observations is to establish a grid of photometric corrections to be applied when determining the distance of Cepheids.