LESIA - Observatoire de Paris

Soutenance de thèse de Frédéric Vincent le vendredi 8 juillet 2011

jeudi 23 juin 2011

Titre de la thèse : "Etude d’effets relativistes en champ gravitationnel fort. Simulations d’observations du centre Galactique par l’instrument GRAVITY"

La soutenance aura lieu le vendredi 8 juillet 2011 à 10h30 dans l’amphithéâtre du bâtiment Evry Schatzmann, à l’Observatoire de Meudon.

Directeurs de thèse : Guy Perrin et Eric Gourgoulhon

Résumé en Français

Cette thèse s’intéresse à simuler des effets de relativité générale en champ gravitationnel fort, aux abords immédiats du trou noir central de la Galaxie, Sagittarius A*, afin de déterminer les données observables qu’un observateur distant serait susceptible d’obtenir.

Je me suis tout d’abord intéressé aux performances astrométriques de l’instrument de deuxième génération du /Very Large Telescope Interferometer/, GRAVITY. Il s’est agi de déterminer avec quelle précision cet instrument sera capable de suivre des phénomènes dynamiques évoluant à proximité immédiate du trou noir central.

J’ai ensuite été amené à développer un code de calcul de trajectoires de particules en relativité générale, GYOTO, qui permet de calculer les orbites de particules à proximité du trou noir central, ainsi que la propagation du rayonnement, comprenant les effets de transfert radiatif, jusqu’à un observateur distant. Au-delà de permettre l’intégration des trajectoires de particules aux abords d’un trou noir, GYOTO est également capable de calculer l’évolution d’une particule dans une métrique non analytique, exprimée numériquement dans le formalisme 3+1 de la relativité générale.

J’ai pu alors m’intéresser à étudier la structure d’accrétion entourant le trou noir central, dans l’hypothèse où celle-ci serait un tore ionisé. Je me suis intéressé à calculer la silhouette du trou noir entouré de cette structure d’accrétion, ainsi que le spectre émis par ce tore, et j’ai pu montrer qu’une telle structure pouvait rendre compte de l’émission synchrotron observée aux abords de Sagittarius A*.

J’ai alors étudié un phénomène permettant de sonder le voisinage le plus immédiat du trou noir central : les sursauts de rayonnement qui affectent Sagittarius A* et qui pourraient être dus à de la matière en orbite très serrée autour de l’objet compact central. En réalisant des simulations d’observations par GRAVITY de ce phénomène, j’ai pu montrer que cet instrument permettra d’apporter des contraintes sur l’inclinaison du trou noir central.

Enfin, je me suis intéressé à développer les capacités de GYOTO à intégrer des trajectoires de particules dans des métriques numériques en m’intéressant particulièrement à la visualisation de l’espacetemps d’une étoile à neutrons en effondrement.

English Abstract

This thesis aims at simulating general relativistic effects in strong gravitational fields, in the vicinity of the Galactic central black hole, Sagittarius A*, in order to determine the observable data that a distant observer would be allowed to obtain.

I was first interested in determining the astrometric performance of the second generation Very Large Telescope Interferometer instrument, GRAVITY. My aim was to determine to what precision will this instrument be able to follow dynamical phenomena evolving close to the central black hole.

I then developed a general relativistic ray-tracing code, GYOTO, that allows to compute the trajectories of particles in the vicinity of a black hole, and to compute the radiative transfer of the photons towards a distant observer. Beyond this capabilities, GYOTO allows to compute the trajectories of particles in non-analytic metrics, computed numerically in the framework of the 3+1 formalism of general relativity.

I was then able to study the accretion structure surrounding the central black hole, assuming it is made of an ionized torus. I computed the image of the silhouette of this object, as well as its emitted spectrum. I thus shown that such an ionized torus is capable of reproducing the main observable characteristics of the synchrotron emission observed in the vicinity of Sagittarius A*.

I have also studied a phenomenon that would allow to probe the vicinity of the central compact object : the radiation flares occuring next to Sagittarius A*, that could be due to a hot spot of matter orbiting very close to the black hole. By simulating GRAVITY observations of such a phenomenon, I was able to show that this instrument will be able to constrain the inclination parameter of Sagittarius A*.

Finally, I developed the capability of GYOTO to integrate worldlines in numerical metrics by studying the visualization of the spacetime of a collapsing neutron star.