Environnement proche des trous noirs supermassifs dans les noyaux actifs de galaxies proches : exploitation scientifique de Gravity/VLTI et SPHERE/VLT

par Pierre Vermot

Projet de thèse en Astronomie et Astrophysique

Sous la direction de Yann Clenet et de Damien Gratadour.

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 01-10-2017 .


  • Résumé

    Le modèle standard des galaxies actives (Koratkar & Blaes 1999) explique la formidable luminosité de ces galaxies par l'existence en leur cœur d'un trou noir de 106 à 109 M, ceint d'un disque d'accrétion l'alimentant en matière. Ce phénomène d'accrétion, particulièrement efficace pour transformer l'énergie gravitationnelle en énergie lumineuse, expliquerait l'origine du rayonnement intense émis par les noyaux actifs de galaxies (NAG). Ces derniers se classent en noyaux de type 1, dont le spectre visible présente des raies larges (quelques milliers de km.s-1) et des raies étroites (quelques centaines de km.s-1) et en noyaux de type 2, dont le spectre visible ne possède que des raies étroites. Le modèle unifié des NAG (Antonucci & Miller 1985) explique cette différence par un effet d'orientation vis à vis de la ligne de visée d'une structure de gaz moléculaire et de poussières qui ceinture le noyau central. La compréhension de la morphologie, des caractéristiques de ce tore et plus généralement des structures entourant le noyau (région d'émission de raies larges ou BLR, régions d'émission de raies étroites ou NLR) est un enjeu majeur pour mieux appréhender le phénomène « noyau actif » et ses conséquences sur son environnement. Or, pour les plus proches de ces NAG, la taille angulaire apparente de ces différentes structures est au mieux de quelques dizaines de millisecondes d'angle. Dans le domaine infrarouge, particulièrement adapté à leur étude (transparence de la poussière, présence de nombreuses raies de diagnostic sur les étoiles, le gaz moléculaire, le gaz ionisé et l'excitation du gaz), elles ne sont donc observables au sol qu'avec des techniques de haute résolution angulaire (optique adaptative, voire interférométrie optique) permettant de s'affranchir des effets délétères de la turbulence atmosphérique sur la qualité des images obtenues au sol. Deux instruments de haute résolution angulaire ont récemment été installés à Paranal au Chili : l'instrument SPHERE du VLT et l'instrument Gravity du VLTI. Des premiers résultats ont été obtenus avec SPHERE par notre équipe (Gratadour et al. 2015) sur NGC 1068, avec la probable première observation directe du tore de poussière entourant ce NAG. Nous sommes par ailleurs partie prenante d'une équipe internationale ayant récemment obtenu du temps d'observations de NAG avec Gravity (les données devraient être obtenues entre le printemps et l'automne 2017). L'objectif de la thèse est de participer à l'exploitation de ces deux instruments, avec des données existantes (SPHERE), à venir (Gravity) ou via de nouvelles demandes de temps (SPHERE, Gravity), pour étudier la structuration de l'environnement proche de noyaux actifs de galaxies proches. Les données SPHERE permettront d'avoir accès aux structures situées dans la région des raies étroites tandis que Gravity permettra de contraindre la géométrie de la région des raies larges. Ces données seront confrontées à des modélisations réalisées à l'aide d'un code de transfert radiatif développé en interne.

  • Titre traduit

    Close environment of supermassive black holes in near active galactic nuclei : scientific exploitation of Gravity/VLTI and SPHERE/VLT


  • Résumé

    The standard model of active galaxies (Koratkar & Blaes 1999) explains the formidable luminosity of these galaxies by the existence in their core of a black hole of 106 to 109 M, surrounded by an accretion disk feeding it. This phenomenon of accretion, particularly effective in transforming gravitational energy into luminous energy, would explain the origin of the intense radiation emitted by the active galactic nuclei of galaxies (AGN). The latter are classified in type 1 nuclei, the visible spectra of which have broad lines (a few thousand km/s) and narrow lines (a few hundred km/s) and type 2 nuclei, the visible spectrum of which has only narrow lines. The unified model of AGN (Antonucci & Miller 1985) explains this difference by a line-of-sight orientation of a molecular gas and dust structure that encircles the central core. Understanding the morphology, the characteristics of this torus and more generally the structures surrounding the nucleus (broad line region or BLR, narrow line region or NLR) is a major challenge to better understand the phenomenon of active nuclei and its consequences on its environment. However, for the closest AGN, the apparent angular size of these different structures is at best a few tens of milli-arcseconds. In the infrared domain, particularly adapted to their study (dust transparency, presence of numerous diagnostic lines on stars, molecular gas, ionized gas and gas excitation), they are therefore observable from the ground only with high angular resolution technics (adaptive optics, or even optical interferometry) making it possible to get rid of the deleterious effects of atmospheric turbulence on the quality of the images obtained from the ground. Two high angular resolution instruments were recently installed at Paranal in Chile: the VLT/SPHERE instrument and the VLTI/Gravity instrument. First results were obtained with SPHERE by our team (Gratadour et al., 2015) on NGC 1068, with the probable first direct observation of the dust torus surrounding this AGN. We are also part of an international team that recently obtained observing time for AGN observations with Gravity (data should be obtained between spring and autumn 2017). The objective of the thesis is to participate in the exploitation of these two instruments, either with already existing data (SPHERE), to come (Gravity) or via new applications for observing time (SPHERE, Gravity), to study the structuration of the close environment of nearby active galactic nuclei. The SPHERE data will allow access to the structures located in the narrow line region while Gravity will constrain the geometry of the broad line region. These data will be compared with modeling carried out using an internally developed radiative transfer code.