Astrophysique extrême avec GRAVITY : sursauts énergétiques aux abords de l'horizon des événements du trou noir central de la Galaxie

Extreme astrophysics with GRAVITY : energetic outbursts near the event horizon of the Galactic Centre black hole

• Auteur / Autrice : Nicolas Aimar
• Direction : Frédéric Vincent, Thibaut Paumard
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Astronomie et Astrophysique
• Date : Soutenance le 03/10/2023
• Etablissement(s) : Université Paris sciences et lettres
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Astronomie et astrophysique d'Île-de-France (Meudon, Hauts-de-Seine ; 1992-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'études spatiales et d'instrumentation en astrophysique (Meudon, Hauts-de-Seine ; 2002-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Observatoire de Paris (1667-....)
• Jury : Président / Présidente : Éric Gourgoulhon
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Frédéric Vincent, Thibaut Paumard, Didier Barret, Katia Ferrière, Benoït Cerutti, Pierre-Olivier Petrucci, Peggy Varniere
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Didier Barret, Katia Ferrière

Mots clés

Mots clés contrôlés

Transfert radiatif

Accrétion (astrophysique)

Interférométrie

Trous noirs (astronomie)

Mots clés libres

Transfert radiatif

Phénomènes d'accrétion

Interférométrie

Trous noir

Interferometry

Black holes

Accretion phenomena

Radiative transfer

Résumé

La Voie Lactée, comme a priori toutes les galaxies structurées, abrite en son cœur un trou noir supermassif d'environ 4,3 millions de masses solaires, nommé Sagittarius A* (Sgr A*). Sa taille, liée à sa masse, et sa proximité d'environ 8,3 kpc, en font le trou noir avec la plus grande taille angulaire dans le ciel (~50 μas), ce qui en fait la cible d'études idéales de ce genre d'objets. Les trous noirs sont les objets les plus compacts de l'Univers, avec un champ gravitationnel extrême proche de leur horizon. La description de ces objets et de leur environnement proche nécessite la prise en compte de la Relativité Générale, introduite en 1915 par Albert Einstein.Depuis plus de 20 ans, Sgr A* et son environnement sont la cible de nombreuses campagnes d'observations à différentes longueurs d'ondes (radio, IR, rayons X). Le suivi des orbites des étoiles-S contenues dans la seconde d'angle autour de Sgr A* a permis de prouver certains effets prédits par la Relativité Générale, tels que la précession de Schwarzschild. Les observations en rayons X et en NIR ont montré que Sgr A* présente une importante variabilité du flux émis par le flot d'accrétion, avec des sursauts dont le flux peut atteindre jusqu'à ~100 fois le flux médian. L'avènement de l'optique adaptative et de l'interférométrie optique, notamment avec les quatre grands télescopes du VLTI et l'instrument GRAVITY, ont permis de mettre en évidence un mouvement orbital de l'origine de trois sursauts observés en 2018.De nombreux modèles ont été envisagés pour expliquer les sursauts de Sgr A*, mais l'observation d'un mouvement orbital a fortement contraint ces modèles. Parmi eux, le modèle analytique de point chaud est largement utilisé avec différents degrés de complexité et d'hypothèses. En parallèle du développement des modèles analytiques, de nombreuses simulations d'accrétion autour de trous noirs ont été étudiées avec un intérêt particulier pour le phénomène de reconnexion magnétique qui apparaît comme un scénario plausible pour expliquer l'origine des sursauts de Sgr A*.Dans cette thèse, nous étudions différents modèles pour les sursauts de Sgr A* à l'aide du code de tracé de rayons Gyoto, allant d'un modèle de point chaud analytique avec une variabilité intrinsèque à un modèle semi-analytique basé sur la reconnexion magnétique.Le premier modèle est très utile pour comprendre les effets de la Relativité (Restreinte et Générale) sur les observables (astrométries et courbes de lumière), ainsi que l'influence de la variabilité intrinsèque sur celles-ci.Le second modèle est motivé par un phénomène physique particulier, la reconnexion magnétique, et est construit à partir des résultats des simulations numériques. Dans ce modèle, la vitesse azimutale est libre d'être super-Képlérienne, en raison de l'entraînement du site de reconnexion par les lignes de champ magnétique. Cette propriété constitue une contrainte observationnelle des sursauts de 2018 observés par GRAVITY que les modèles précédents ne parvenaient pas à expliquer.De plus, nous étudions également l'impact de la modélisation de l'état quiescent combiné aux sursauts sur les observables. La contribution de celui-ci dans les calculs d'astrométrie se traduit par un décalage entre la position du trou noir et le centre de l'orbite apparente, ce qui constitue une autre conclusion des observations des sursauts de 2018.En plus des astrométries et des courbes de lumière, GRAVITY a mesuré la polarisation des sursauts de 2018. Le code de tracé de rayons Gyoto est maintenant capable de calculer la polarisation des images. La nouvelle version du code a été validée en comparant les résultats avec un autre code de tracé de rayons, ipole. Le modèle basé sur la reconnexion magnétique montre des résultats très encourageants et peut être encore amélioré pour prendre en compte la polarisation, ainsi que les propriétés multi-longueurs d'onde des sursauts de Sgr A*.

The Milky Way, like presumably all structured galaxies, harbors a supermassive black hole at its core, approximately 4.3 million times the mass of the Sun, named Sagittarius A* (Sgr A*). Its size, determined by its mass, and its proximity of about 8.3 kpc make it the black hole with the largest angular size in the sky (~50 μas), making it the ideal target for studying this type of object. Black holes are the most compact objects in the Universe, with an extreme gravitational field near their event horizon. Describing these objects and their immediate environment requires taking into account General Relativity, introduced in 1915 by Albert Einstein .For over 20 years, Sgr A* and its environment have been the subject of numerous observation campaigns at various wavelengths (radio, IR, X-rays). Tracking the orbits of S-stars within one arcsecond around Sgr A* has provided evidence for certain effects predicted by General Relativity, such as Schwarzschild precession. X-ray and NIR observations have shown that Sgr A* exhibits significant variability in the emitted flux from the accretion flow. The advent of adaptive optics and optical interferometry, particularly with the four large telescopes of the VLTI and the GRAVITY instrument, have revealed an orbital motion of the origin of three flares observed in 2018.Numerous models have been proposed to explain the flares of Sgr A*, but the observation of orbital motion has strongly constrained these models. Among them, the analytical hot spot model is widely used with varying degrees of complexity and assumptions. In parallel with the development of analytical models, numerous simulations of accretion around black holes have been studied, with a particular focus on the phenomenon of magnetic reconnection, which appears as a plausible scenario to explain the origin of the flares of Sgr A*.In this thesis, we study different models for the flares of Sgr A* using the ray-tracing code Gyoto, ranging from an analytical hot spot model with intrinsic variability to a semi-analytical model based on magnetic reconnection. The first model is very useful for understanding the effects of Relativity (Special and General) on observables (astrometry and light curves), as well as the influence of intrinsic variability on them. The second model is motivated by a specific physical phenomenon, magnetic reconnection, and is constructed based on the results of numerical simulations. In this model, the azimuthal velocity is free to be super-Keplerian, due to the dragging of the reconnection site by the magnetic field lines. This property constitutes an observational constraint of the 2018 flares observed by GRAVITY that previous models failed to explain. Additionally, we also study the impact of modeling the quiescent state combined with the flares on the observables. Its contribution in astrometry calculations results in a shift between the position of the black hole and the center of the apparent orbit, which is another conclusion from the observations of the 2018 flares.In addition to astrometry and light curves, GRAVITY has measured the polarization of the 2018 flares. The Gyoto ray-tracing code is now capable of calculating the polarization of images. The new version of the code has been validated by comparing the results with another ray-tracing code, ipole.The model based on magnetic reconnection shows very promising results and can be further improved to account for polarization, as well as the multi-wavelength properties of the flares of Sgr A*.