LESIA - Observatoire de Paris

Activité dans le coeur des galaxies

vendredi 7 octobre 2011, par Yann Clénet

Contexte astrophysique et instrumental

La compréhension de l’évolution des galaxies est un enjeu majeur de la recherche actuelle dans le domaine extragalactique. Or l’environnement proche du noyau des galaxies et les processus physiques qui s’y déroulent semblent jouer un rôle important dans cette évolution des galaxies : formation d’étoiles, interaction du milieu interstellaire avec un trou noir central, activité du trou noir central, ...

Etudier tous ces processus, au sein des régions les plus centrales des galaxies, demande une capacité d’observer des détails très fins. Seuls les télescopes géants au sol équipés d’optique adaptative ou les interféromètres formés avec ces mêmes télescopes géants au sol permettent de vaincre la turbulence atmosphérique et d’atteindre le pouvoir de résolution nécessaire.

Fort de sa position de leader international dans ces techniques de haute résolution angulaire, le LESIA s’implique depuis maintenant de nombreuses années dans plusieurs études sur l’activité des coeurs de galaxies.

NGC 1068 vu par NACO
NGC 1068 vu par NACO

Image de NGC 1068 observé par NACO en bande M’ (4,8 µm) (Gratadour et al. 2006)

Les noyaux actifs de galaxies

Contreparties locales des quasars, les noyaux actifs de galaxies (NAG) possèdent une luminosité bien plus importante que la normale, qui s’expliquerait par l’existence en leur cœur d’un trou noir de 106 à 109 masses solaires, ceint d’un disque d’accrétion l’alimentant en matière. C’est ce phénomène d’accrétion, particulièrement efficace pour transformer l’énergie gravitationnelle en énergie lumineuse, qui serait à l’origine du rayonnement émis par les NAG.

Notre équipe travaille depuis plusieurs années à lʼanalyse de NGC 1068, lʼarchétype des NAG de type Seyfert 2, au moyen de l’instrument d’imagerie infrarouge avec optique adaptative NACO et de l’interferometre VLTI. L’emploi à 2,2 µm d’un coronographe conçu au LESIA et installé sur NACO a confirmé la réalité de structures en forme de vagues fines encadrant le jet radio de la galaxie (Gratadour et al., 2006) et permis de mesurer la température, élevée, de ces structures. Plus récemment, nous avons pu expliquer l’observation en leur sein de raies coronales, témoignant d’un fort champ ionisant, par l’excitation du milieu interstellaire entourant le noyau actif par le jet lui-même (Exposito et al., 2011). Les mesures interférométriques de l’instrument MIDI du VLTI ré-analysées et couplées à de lʼimagerie à 10 µm avec l’instrument moyen infrarouge VISIR du VLT ont permis de montrer que lʼessentiel (80%) de lʼémission à cette longueur dʼonde était dû à des nuages compacts qui sʼévaporent dans le cône dʼionisation de la galaxie (Poncelet et al., 2006, 2007, 2008).

Les galaxies distantes

Le gain en résolution apporté par l’optique adaptative permet aujourd’hui d’envisager l’étude de la morphologie de galaxies plus éloignées que les galaxies de Seyfert. Lʼévolution de la morphologie est une donnée essentielle de la compréhension de lʼhistoire de lʼassemblage de la masse dans lʼUnivers. Lʼexploitation de relevés dʼimagerie profonde avec NAOS et plus récemment avec WIRCAM nous a permis dʼextraire pour la première fois une morphologie fiable des galaxies jusquʼà z = 1,5. Cela a été possible grâce à :

- la qualité dʼimage,
- le domaine de longueur dʼonde infrarouge (bande K, i.e. 2.2 µm), qui trace aux décalages spectraux considérés la distribution des étoiles vieilles et qui fournit une estimation plus fiable de la masse totale que des observations dans le domaine visible,
- la mise au point dʼune méthode de classification automatique basée sur des "machines vecteurs" qui a grandement accru la fiabilité de classification (Huertas et al., 2007, 2008) .

Le centre de notre galaxie

L’activité du trou noir au centre de la Galaxie et l’étude de son environnement proche a constitué une activité importante de recherche au LESIA ces dernières années, en relation directe avec les développements instrumentaux en haute résolution angulaire réalisés au laboratoire.

Les premiers systèmes d’optique adaptative, tel ADONIS au 3.6m de la Silla/ESO, avaient déjà permis d’obtenir de premiers résultats, avec la première cartographie du Centre Galactique en optique adaptative à 3.6 µm (bande L) et une mesure non biaisée de l’extinction interstellaire vers cette région (Clénet et al. 2001). Mais le système d’optique adaptative NAOS et plus particulièrement son analyseur infrarouge, conçu au LESIA, a permis à une équipe internationale comprenant des chercheurs allemands du Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik de Garching (MPE) et des chercheurs du LESIA de réaliser une étude astrométrique des étoiles gravitant au cœur de la Galaxie avec une résolution spatiale jusqu’ici inégalée, démontrant de façon quasi certaine l’existence d’un trou noir au centre de la Galaxie (Schoedel et al. 2002). Toujours grâce à NAOS, cette même équipe a par ailleurs observé pour la première fois la contrepartie infrarouge de la source radio associée au trou noir dans plusieurs bandes infrarouges : H, K, L’ et M’ (Genzel et al. 2003, Clénet et al. 2004).

L’origine des sursauts de luminosité de cette contrepartie infrarouge reste encore à préciser : ils pourraient s’expliquer par de la matière sur la dernière orbite stable du trou noir se précipitant sur le trou noir (Gillessen et al. 2006) ou par un jet accélérant les électrons à l’origine du rayonnement non thermique observé (cf. par exemple Clénet et al. 2006).

Une autre question majeure posée par ces observations infrarouges à haute résolution spatiale est l’origine des étoiles jeunes observées très proches du trou noir (moins de 0.4pc) : naissance in-situ ou dans un amas proche migrant vers le centre de la Galaxie ?

Le Centre Galactique vu par VISIR
Le Centre Galactique vu par VISIR

Image à 8.6 microns de la région du Centre Galactique obtenue avec VISIR lors du Large Program ESO (Haubois et al. 2008)

Pour résoudre toutes ces questions nous avons reconduit la collaboration fructueuse lancée avec NAOS avec des chercheurs du MPE au sein d’un Large Program d’observations multi-longueurs d’onde (X, IR proche, IR moyen, submm) dont la partie infrarouge a été soumise et acceptée par l’ESO. Ces observations nous ont permis par exemple

- d’obtenir les images moyen infrarouges les plus "fines" jamais obtenues, sans toutefois pouvoir détecter de sursauts dans cette gamme de longueurs d’onde (Haubois et al. 2008, Thibon et al. 2010)

- de parvenir à une caractérisation fine (âge, métallicité, perte de masse par vent stellaire, …) d’étoiles proches du trou noir et d’un amas proche du Centre Galactique (Martins et al. 2007, 2008) permettant de tester les différentes hypothèses de l’origine des étoiles jeunes du Centre Galactique

- de fournir de nouvelles contraintes sur la répartition spatiale des étoiles de l’amas central (Bartko et al. 2009), montrant qu’elles se positionnent sur un disque gauchi, et sur la fonction de masse des ces étoiles (Bartko et al. 2010), ces résultats favorisant plutôt une formation stellaire in-situ

- d’expliquer les sursauts observés dans les rayons X, en infrarouge et dans le sub-milllimétrique par le rayonnement synchrotron de la population d’électron du disque d’accrétion (Dodds-Eden et al. 2009, Trap et al. 2011).

Notre équipe a d’autre part coordonné et a largement contribué à l’élaboration du document de justification scientifique de Gravity (document ESO VLT-TRE-GRA-15880-4349, 2008), un des instruments de deuxième génération de l’interféromètre du VLT à l’ESO (cf. §Interférométrie). Ce travail a donné lieu à plusieurs études, par exemple de modélisation de l’émission du trou noir lors d’un sursaut (Hamaus et al. 2008), ou, avec le développement du code GYOTO, d’estimation de la précision astrométrique de l’instrument lors de la détection d’un tel sursaut (Vincent et al. 2011) ou d’effets post-newtoniens sur les orbites d’étoiles très proches de Sgr A*.

Personnels impliqués

NomFonctionThème de recherche
Clénet Yann Chargé de recherche Centre galactique, NAG
Exposito Jonathan Doctorant (2010-2013) NAG
Gratadour Damien Maître de conférence NAG
Haubois Xavier Doctorant (2005-2008) Centre galactique
Huertas Marc Doctorant (2005-2008) Galaxies distantes
Paumard Thibaut Chargé de recherche Centre galactique
Perrin Guy Astronome NAG
Rouan Daniel Directeur de recherche Centre galactique, NAG, galaxies distantes
Thibon Michaël Doctorant (2008-2011) Centre galactique
Vincent Frédéric Doctorant (2008-2011) Centre galactique