Simulations d'observations du centre galactique par l'instrument GRAVITY
Etude d'effets relativistes en champ gravitationnel fort
Résumé
The Galactic center is an ideal laboratory to put to the test general relativistic predictions. The supermassive black hole lying there has the biggest angular Schwarzschild radius (10 μas): its environment is thus a perfect candidate for the observation of strong relativistic phenomena. My first interest was to study the astrometric precision of the second generation VLTI instrument named GRAVITY. This beam combiner, which will take place in Paranal in 2014, was conceived in order to reach an astrometric precision of 10 μas. In order to check whether this goal is possible to achieve, I have used a programme simulating the instrument that allows to compute precisely the astrometric error that will affect the observed signal, taking into account the actual performance of GRAVITY. I came to the conclusion that the instrument is capable of reaching its goal, provided the observed point like source is bright enough. I was also able to show that GRAVITY can distinguish between a moving and a motionless source at a few Schwarzschild radii from the black hole. I then developed a new general relativistic ray-tracing code, GYOTO, allowing the computation of images and spectra of objects lying close to a black hole. A few astrophysical objects are implemented at the time being: a thin accretion disk, an accretion torus, a star orbiting around the black hole, for instance. GYOTO is also capable of integrating the radiative transfer equation inside optically thin objects. Let us highlight the fact that GYOTO will be made public in the near future. I was then able to use GYOTO in order to compute the silhouette and the spectrum of an accretion torus surrounding Sgr A*, emitting synchrotron radiation. The interest of such simulations is to constrain the black hole's parameters by fitting the theoretical model to observed data. I also computed the evolution of a blob of gas orbiting very close to the black hole's radius. This scenery can account for the radiation flares observed in the vicinity of the Galactic center. I performed realistic simulations of a GRAVITY observation of such a phenomenon, that allowed me to determine to what level GRAVITY could constrain this flare model, as well as the inclination of the black hole. I am also interested in the possibility to simulate observations of alternative compact objects at the Galactic center, in order to test the black hole paradigm. In this perspective, I developed a specific way of integrating geodesics with GYOTO, in the framework of the 3+1 formalism of general relativity. This formalism allows GYOTO to take into account non-standard metrics, computed numerically. This is a specific feature of GYOTO, that was not developed by other ray-tracing algorithm in the literature. The last part of my work was to give some perspectives of the use of GYOTO in numerically computed metrics. After having unsuccessfully tried to implement a gravastar metric inside the LORENE library, I developed the integration of null geodesics in the nonstationary spacetime of a collapsing neutron star. I computed images of such a neutron star, at different stages of its evolution. This kind of simulation could allow in the future to compute the electromagnetic counterpart of strong gravity phenomena, such as radiation emission in the vicinity of coalescing neutron stars.
Le centre de la Galaxie constitue un laboratoire idéal pour mettre à l'épreuve les prédictions de la relativité générale. Le trou noir supermassif qui y siège possède le rayon de Schwarzschild ayant la plus grande taille angulaire sur le ciel (10 μas). C'est donc un candidat de choix pour observer avec une grande précision les phénomènes relativistes qui se déroulent dans son environnement immédiat. La première partie de ma thèse a consisté à étudier la précision astrométrique de l'instrument de deuxième génération du VLTI, GRAVITY. Ce recombinateur de faisceau qui sera installé à Paranal en 2014 est conçu pour atteindre une précision astrométrique de l'ordre de 10 μas. Afin de vérifier si ce but pourra être atteint, j'ai utilisé un programme de simulation de l'instrument pour déterminer de façon réaliste l'erreur astrométrique commise, en prenant en compte les caractéristiques réelles de GRAVITY. J'ai pu ainsi montrer que l'instrument était capable d'atteindre son objectif pour des sources suffisamment brillantes, ainsi que de mettre en évidence le mouvement d'objets à proximité immédiate du trou noir. J'ai ensuite développé un code de calcul d'orbites relativistes, GYOTO, permettant de calculer les images et les spectres d'objets situés à proximité d'un trou noir. Différents objets sont à l'heure actuelle implémentés dans le code. On peut citer en particulier le disque mince d'accrétion, le tore d'accrétion, ou l'étoile en orbite autour du trou noir. GYOTO permet également de réaliser des calculs de transfert radiatif au sein de l'objet considéré, ce qui permet de prendre en compte la physique interne des structures d'accrétion. Signalons que GYOTO sera rendu public dans un proche avenir. J'ai pu alors utiliser GYOTO pour calculer la silhouette et le spectre d'un tore d'accrétion entourant le trou noir central de la Galaxie, en prenant en compte l'émission synchrotron générée par cette structure. L'intérêt de ce genre de simulation est de contraindre les paramètres du trou noir et du tore d'accrétion en ajustant les spectres modélisés aux données observées. J'ai également simulé grâce à GYOTO l'évolution d'une sphère de gaz chauffée en orbite très serrée autour du trou noir. Ce schéma constitue un modèle prometteur pour les phénomènes de sursauts de rayonnement qui sont régulièrement observés aux abords du trou noir central. Il a alors été possible de simuler de façon réaliste une observation par GRAVITY de ce phénomène, et de déterminer les contraintes que l'instrument permettra d'apporter sur ce modèle, et sur le paramètre d'inclinaison du trou noir. Je me suis également intéressé à la possibilité de modéliser des objets compacts alternatifs afin de tester le paradigme du trou noir au centre de la Galaxie. Afin de pouvoir prendre en compte de tels objets, il a fallu permettre à GYOTO d'intégrer des orbites de particules dans des métriques non standards calculées numériquement, dans le formalisme 3+1 de la relativité générale. Cette capacité de GYOTO à prendre en compte des métriques non standards en fait un code unique parmi les algorithmes de calcul d'orbites existant dans la littérature. Je me suis alors intéressé à fournir quelques perspectives d'utilisation de GYOTO en métriques numériques. L'implémentation d'un objet gravastar au sein de la bibliothèque LORENE n'ayant pas abouti, je me suis intéressé à représenter les images observées d'une étoile à neutrons en effondrement, à différents stades de son évolution. Ce genre de calculs pourra permettre dans l'avenir de calculer numériquement les contreparties électromagnétiques de phénomènes en champ gravitationnel fort, telle que l'émission de rayonnement à proximité d'un système d'étoiles à neutrons en coalescence.
Domaines
Astrophysique [astro-ph]
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