Étalonnage interférométrique de l'échelle des distances des Céphéides dans l'ère GAIA

par Boris Trahin

Projet de thèse en Astronomie et Astrophysique

Sous la direction de Pierre Kervella et de Antoine Merand.

Thèses en préparation à Paris Sciences et Lettres , dans le cadre de École doctorale Astronomie et astrophysique d'Île-de-France (Meudon, Hauts-de-Seine) , en partenariat avec LESIA - Laboratoire d'Etudes Spatiale et d'Instrumentation en Astrophysique (laboratoire) et de Observatoire de Paris (établissement de préparation de la thèse) depuis le 01-10-2016 .


  • Résumé

    Les Céphéides sont le pilier de l'échelle des distances extragalactiques car leur période de pulsation, facilement mesurée observationnellement, est directement reliée à leur luminosité par la relation Periode-Luminosité (PL) (Leavitt & Pickering 1912). Comme exemple récent, la découverte de l'accélération de l'expansion de l'Univers (Riess et al. 1998; prix Nobel 2011) est très largement bâtie sur l'échelle de distance des Céphéides. Il n'y a actuellement aucun substitut aux Céphéides comme indicateur primaire de distances, et leur rôle pour la cosmologie de haute précision et les grands relevés est plus fondamental que jamais. Les principaux télescopes tels que le JWST ou le E-ELT permettront d'obtenir des courbes de lumière des Céphéides jusqu'à plusieurs centaines de mégaparsecs. La capacité de mesurer avec une très grande précision les distances extragalactiques via les Céphéides est une condition nécessaire à l'établissement de modèles cosmologiques. Cependant, malgré de considérables efforts, la précision de l'échelle des distances des Céphéides demeure insatisfaisante. La calibration du point zéro de la relation PL est affectée par des erreurs systématiques de l'ordre de 5%. Ceci contribue majoritairement à l'erreur sur la valeur de la constante de Hubble H0 (Riess et al. 2011). Dans ce contexte, notre équipe a développé ces dernières années une méthode innovante permettant de combiner les données observationnelles disponibles (incluant l'interférométrie à longue base) et des modèles numériques de la pulsation des Céphéides, nommé SPIPS (Spectro-Photo-Interferometry of Pulsating Stars, Mérand et al. 2015). Ce code nous permet de de déduire des distances en utilisant la méthode de la parallaxe de pulsation. Cette thèse sera focalisée sur 2 aspects de l'application de la méthode SPIPS: 1) Tout d'abord, nous appliquerons et développerons dans SPIPS des modèles de l'atmosphère et de l'environnement proche des Céphéides afin de permettre la simulation de spectres haute résolution. Nous participerons par ailleurs à des observations afin de compléter l'échantillon existant. Un prototype du code SPIPS est déjà opérationnel et des spectres de haute résolution peuvent être directement analysés. 2) La publication des premières données des parallaxes GAIA est attendue dans les prochains mois, au tout début de cette thèse. Cela apportera une amélioration considérable à la mesure des distances de Céphéides proches. Avec une précision de l'ordre de 10 microarcsecondes, la parallaxe de plus de 300 Céphéides galactiques sera déterminé à 1% près. L'utilisation de ces parallaxes dans le modèle SPIPS, permettra un étalonnage très précis de la relation PL. Les distances étant connues, la méthode SPIPS nous permettra d'étudier la physique utilisée dans ce code et ainsi d'affiner notre connaissance sur la pulsation des Céphéides à un niveau sans précédent.

  • Titre traduit

    An interferometric calibration of the Cepheid distance scale in the GAIA era


  • Résumé

    Cepheids are the backbone of the extragalactic distance ladder because their pulsation periods, which are easily measured observationally, correlate directly with their luminosities, through the Period-Luminosity (PL) relation (Leavitt & Pickering 1912). As a recent example, the discovery of the accelerated expansion of the Universe (Riess et al. 1998; 2011 Nobel prize) is largely based on the Cepheid distance ladder. There is currently no competitive substitute for Cepheids as primary distance indicators, and their role in the era of precision cosmology and large surveys is therefore more fundamental than ever. Major facilities like the JWST or the E-ELT will obtain Cepheid light curves up to hundreds of megaparsecs. The ability to measure with a high accuracy extragalactic distances using Cepheids is an absolute requisite for the establishment of cosmological models on firm observational ground. However, despite considerable efforts, the accuracy of the Cepheid scale is still unsatisfactory. The calibration of the PL zero point (ZP) is affected by systematics at a 5% level, and it is today the largest contributor to the error on the Hubble constant H0 (Riess et al. 2011). Within this context, we developed over the past few years an innovative combination of state-of-the-art observations (including long-baseline interferometry) and numerical modelling of the pulsation behaviour of Cepheids, called SPIPS (Spectro-Photo-Interferometry of Pulsating Stars, Mérand et al. 2015). This code allows us to derive distances using a parallax of pulsation approach. The PhD thesis will be focused on two aspects of the application of the SPIPS technique: 1) In the first part of the thesis,I will apply and develop the SPIPS models of the atmosphere and close environment of Cepheids to accommodate the simulation of high resolution spectra. I will also be involved in the collection of observations to complete the existing sample. We already have a working prototype of the code and high quality spectra that can be analysed right away. 2) The publication of the first set of GAIA parallaxes is expected in 2017, so soon after the beginning of the proposed PhD thesis. It will bring a tremendous improvement in the measurement of nearby Cepheid distances. With an accuracy of the order of 10 microarcseconds, the parallax of more than 300 Galactic Cepheids will be determined to 1%. Incorporating these parallaxes in the SPIPS modelling will result in a highly accurate calibration of the Period-Luminosity relation. Since the distances will be known, the SPIPS analysis will allow us to investigate the physics underlying the parallax of pulsation technique, and refine our understanding of the Cepheid pulsation to an unprecedented level.