L'exploration du trou noir super-massif Sgr A* au centre galactic par astrométrie des sursauts

par Gustavo Rodríguez Coira de la Peña

Thèse de doctorat en Astronomie et Astrophysique

Sous la direction de Guy Perrin et de Thibaut Paumard.

Soutenue le 30-11-2020

à l'Université Paris sciences et lettres , dans le cadre de Astronomie et Astrophysique d'Ile de France , en partenariat avec LESIA - Laboratoire d'Etudes Spatiale et d'Instrumentation en Astrophysique (laboratoire) et de Observatoire de Paris (établissement opérateur d'inscription) .

Le président du jury était Éric Gourgoulhon.

Le jury était composé de Guy Perrin, Thibaut Paumard, Pierre Cruzalèbes, Maud Langlois, Jihane Moultaka, Stephen Thurman Ridgway.

Les rapporteurs étaient Pierre Cruzalèbes, Maud Langlois.


  • Résumé

    Le parsec central est l'une des régions les plus intéressantes de notre Galaxie. Il est peuplé d'un amas stellaire nucléaire où coexistent des étoiles massives, énergétiques et jeunes, des étoiles évoluées plus froides, du plasma chaud et des flux de matière interstellaire. Un objet compact appelé SgrA*, d'une masse de plusieurs millions de masses solaires, se trouve en son centre, devenant ainsi le plus proche candidat au trou noir supermassif, mais étant plus faible dans toutes les longueurs d'onde que les autres noyaux galactiques. L'une des étoiles les plus proches de SgrA*, S2, effectue une orbite autour d'elle en 16 ans seulement et est suffisamment brillante pour être utilisée comme une sonde robuste du potentiel gravitationnel de la source centrale par suivi d'orbite. Dans l'infrarouge, SgrA* présente une émission quiescente avec de courts épisodes aléatoires appelés sursauts où sa luminosité augmente fortement jusqu'à un facteur 4, durant plusieurs heures avant de s'affaiblir. L'origine de ces éruptions est probablement due à la présence de processus d'accrétion dans l'environnement proche du trou noir et leur étude peut fournir des informations essentielles sur la nature exotique de SgrA*. Malheureusement, ces événements sont aléatoires et nécessitent un suivi suffisamment échantillonné dans le temps. L'instrument GRAVITY, qui fait partie de la deuxième génération de VLTI, permet d'utiliser l'interférométrie optique pour étudier le Centre Galactique. Il est capable de suivre l'orbite de l'étoile S2 avec une précision sans précédent, jusqu'à 10 microsecondes d'arc. Ce travail de thèse est axé sur l'analyse des données des premiers produits de l'instrument GRAVITY au Centre Galactique.Dans la première partie de la thèse, l'astrométrie de l'étoile S2 est obtenue par l'utilisation des deux premières années d'observations de la GRAVITY, auxquelles j'ai participé activement. Pour cela, un modèle d’étoile binaire est utilisé pour reproduire les données interférométriques. Juste avant et après le passage du péricentre, qui a eu lieu en 2018, j'ai obtenu les positions de S2 par rapport à SgrA* atteignant une précision astrométrique de 30 microsecondes d’arc, comparable à la taille attendue de l'ombre du trou noir supermassif. En outre, j'ai obtenu une nouvelle courbe de lumière de SgrA* qui complète les données déjà publiées et confirme le comportement quiescent avec des sursauts. Les résultats obtenus font partie d'une étude plus large impliquant l'ajustement de l'orbite où plusieurs tests de relativité générale ont été effectués avec succès, ainsi que des interprétations des sursauts comme produit des processus d’accrétion dans l’orbite proche de SgrA*.La deuxième partie de la thèse est centrée sur une étoile évoluée appelée GCIRS 7, qui est également située dans le parsec central et qui sert de référence pour les observations de GRAVITY. Cette étoile, qui présente une grande variabilité dans l’infrarouge (1 magnitude), est connue pour contribuer au milieu interstellaire du Centre Galactique. En complétant les données d'archives de GRAVITY de 2017 par des observations que j'ai effectuées en 2019, j'ai mis en place un modèle d'atmosphère, largement utilisé pour l'étude d'autres étoiles évoluées, afin d'expliquer les courbes de visibilité de GCIRS 7 obtenues par GRAVITY. Le modèle s'agit d'une photosphère et d'une fine couche moléculaire. Les résultats montrent que les données peuvent être interprétées comme une photosphère avec le même diamètre pour les deux époques, mais la couche étant plus froide et plus grande en 2019 par rapport à 2017. Une estimation de la densité de la couche révèle une saturation du modèle pour 2017 en raison d'une densité élevée, mais les données de 2019 sont partiellement reproduites. Les résultats peuvent être expliqués par une expansion et un refroidissement de la couche probablement dus à un épisode de perte de masse.

  • Titre traduit

    Exploring the supermassive black hole Sgr A* at the Galactic Center with astrometry of flares


  • Résumé

    The central parsec is one of the most interesting regions of our Galaxy. It is populated by a nuclear stellar cluster where massive, energetic and young stars coexist with colder evolved stars, hot plasma and streams of interstellar matter. A compact object called SgrA* with a mass of several million solar masses lies in its center becoming the closest supermassive black hole candidate, but being fainter in all wavelengths than other galactic nuclei. One of the closest stars to SgrA*, S2, completes an orbit around it in just 16 years and is bright enough to be used as a robust probe the gravitational potential of the central source by orbit tracking. In the infrared, SgrA* presents a quiescent emission with random short episodes called flares where its brightness sharply increases up to a factor 4, lasting several hours before dimming. The origin of these flares is likely due to the presence of accretion processes in the close environment of the black hole and their study can provide essential information about the exotic nature of SgrA*. Unfortunately, these events are random and require a sufficiently sampled monitoring over time.The GRAVITY instrument, part of the second generation of VLTI, enables the use of optical interferometry to study the Galactic Center. It is able to track the orbit of the star S2 with unprecedented accuracy, up to 10 micro-arcseconds. This thesis work is focused on the data analysis of the first products of the GRAVITY instrument in the Galactic Center.In the first part of the thesis, the astrometry of the star S2 is obtained by the use of the first two years of GRAVITY observations, in which I have actively participated. For that purpose, abinary star model is used to reproduce the interferometric data. Right before and after the pericenter passage, who took place in 2018, I have obtained the positions of S2 with respect to SgrA* reaching an astrometric accuracy of 30 micro-arcseconds, comparable with the expected size of the shadow of the supermassive black hole. In addition, I have obtained a new light curve of SgrA* which complements the data already published and confirms the quiescent-flare scenario. The results obtained are part of a larger study involving orbit fitting where several tests of General Relativity have been successfully performed, as well as interpretations of the flares as a product of accretion processes in the near SgrA* orbit.The second part of the thesis is focused on an evolved star called GCIRS 7, which is also located in the central parsec and serves as a reference for GRAVITY observations. This star, which has a large variability in the infrared, is known to contribute to the interstellar medium of the Galactic Center. By complementing GRAVITY archival data from 2017 with observations I have taken in 2019, I have implemented an atmosphere model, widely used for the study of other advanced stars, to explain the visibility curves of GCIRS 7 obtained by GRAVITY. The model consists of a photosphere and a thin molecular shell. The results show that the data can be interpreted as a photosphere with the same diameter for both epochs, but with a shell being colder and larger in 2019 compared to 2017. An estimation of the density of the thin shell reveals a saturation of the model for 2017 due to a high density, but 2019 data is partially reproduced. The results can be explained by a layer expansion and cooling likely due to an episode of mass loss.


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