Resumé
Nous proposons de poursuivre l’étude de la base de données X de la région du centre Galactique (GC), issus des relevés réalisés avec les satellites XMM, Chandra et NuSTAR ces dernières années, et avec les données additionnelles qui seront collectés en 2019-2020, pour caractériser l’exceptionnelle activité de haute énergie de cette région (Fig. 1). L’objectif est de contraindre et comprendre l’activité éruptive passée de Sgr A*, le Trou Noir super-massif (SMCH) du noyau galactique, à partir des variations temporelles, spectrales et morphologiques de l’émission X des nuages moléculaires proches (Fig. 2) qui réfléchissent vers nous, avec un certain délai et des signatures spectrales spécifiques (Fig. 3), le rayonnement de Sgr A* qui les a illuminées, mais aussi en étudiant le grandes bulles de gaz chaud présentes dans la région (Fig. 4) qui témoignent d’activité encore plus ancienne localisée dans le noyau de notre Galaxie. Una partie importante de cet étude sera dédié à développer une nouvel approche de l’analyse de données qui puisse à la fois permettre le découplages des différents composantes astrophysique et de bruit présents dans les données disponibles et aussi préparer l’exploitation de données X qui seront fourni par les nouveau instruments à très haute résolution spectrale X prévus équiper les futures missions spatiales comme XRISM et Athena.
Description du sujet :
Conteste
Le Centre Galactique (la région centrale de la Galaxie d’environs 4º ´ 2º correspondante à 550 pc x 300 pc à 8 kpc de distance) abrite le trou noir super-massif de la Galaxie, identifié avec la source compacte radio, infrarouge et X Sgr A*, dans un environnement complexe où s’entremêlent différents sources X ponctuelles et diffuses (binaires, restes de supernovæ, lobes de gaz chaud, filament non-thermiques, etc.) (Fig. 1). Nous proposons de poursuivre le travail d’étude de la large base de données X (Chandra, XMM-Newton, NuSTAR) de cette région que nous menons depuis plusieurs années (voir Clavel et al. A&A 2013, Ponti et al. MNRAS 2015, Terrier et al. A&A 2017, Chuard et al. A&A 2017, Fig. 2) pour notamment contraindre l’émission X présente et passée et les propriétés du trou noir super-massif central mais aussi celles des sources thermiques et non-thermiques environnantes qui témoignent de l’exceptionnelle activité de haute énergie de la zone moléculaire centrale de la Galaxie.
Cette région du ciel contient en effet plusieurs composantes diffuses, certaines avec des variations morphologiques d’une année à l’autre et avec des raies d’émission prononcées, ainsi qu’un bruit de fond variable. Pour exploiter en détail ces données sera donc nécessaire développer des nouvelles méthodes d’analyse qui préparent aussi l’exploitation des données de type totalement nouveau. Les futures missions spatiales d'astronomie X prévoient, en effet, la mise en orbite de télescopes associés à des bolomètres à très large résolution spectrale (E/DE~1000), couplés en général à des instruments d'imagerie fine à grand champ. C'est le cas de la mission japonaise - américaine XRISM, le remplacement de Hitomi, que sera lancée en 2021 ainsi que de la mission ESA de type Large, Athena, prévue vers 2030 qui notamment portera le spectromètre haute résolution X-IFU et la camera à grand champ WFI.
Description du Travail et Méthodes
Ces observatoires affichent des performances inégalées et permettront des avancées exceptionnelles en astrophysique des hautes énergies, comme l’attestent les quelques données collectées avec la mission Hitomi en 2016 en un seul mois d’opérations avant sa fin précoce. Les données que ces missions fourniront seront très riches, mais aussi très complexes, portant des informations complètement nouvelles, qu’il conviendra extraire avec des techniques sophistiquées. Les méthodes actuelles d’analyse ne sont certainement pas optimisées pour cela, notamment dans le domaine de l’analyse de sources diffuses dans des régions du ciel complexes comme le Centre Galactique. Pour ces sources, il est nécessaire d’un côté extraire les informations sur la morphologie et les spectres et dans le même temps de pouvoir séparer les différentes composantes qui se superposent avec un bruit de fond qui dépend des conditions d’observation.
L’approche actuelle pour traiter les données des observatoires X comme Chandra et XMM, est basée sur une séparation totale entre les analyses spatiale et spectroscopique (par exemple en réalisant une image correspondant à une raie spectrale, ou en extrayant le spectre de petites régions indépendantes les unes des autres). Une telle approche rend très délicate l’étude détaillée des structures étendues, en particulier des composantes faibles. Avec une résolution spectrale extrêmement fine cette méthode n’est plus valable puisque la prise en compte de la dépendance de la réponse instrumentale avec la position devient cruciale.
Nous proposons donc d’étudier, développer et tester des nouvelles techniques d'analyse basées sur une approche de spectro-imagerie pleinement 3D et multi-instrument. Une approche 3D paramétrique où les données sont comparées à des modèles spectraux des différentes composantes sera tout d’abord mise en place. Elle permettra l’utilisation de formats de données et de fonctions d’instrument adaptées à l’analyse 3D. Nous passerons ensuite à une analyse de type non paramétrique où les composantes spatiales sont définies par des fonctions génériques avec un critère de régularité, par exemple à l’aide du maximum de vraisemblance pénalisé et des fonctions splines (P-splines). Pour garder la puissance de la résolution spectrale, les composantes spectrales seront basées sur les modèles paramétriques usuels en rayons X (XSpec). La combinaison des données d’autres instruments (par exemple des imageurs à grand champs avec résolution en énergie moindre mais résolution spatiale fine) ainsi que l’apport du « dithering » et du « defocussing » (prévus pour la mission Athena) seront intégrés directement dans l’analyse, afin d’extraire le maximum d’information des observations.
Bien que visant les missions futures, ces techniques seront vérifiées et calibrées sur les données disponibles, Chandra et XMM, du Centre Galactique en comparant les résultats avec ceux des méthodes classiques obtenues dans la première phase du travail de thèse. Ensuite elles pourront être utilisées sur les données du spectromètre d’Hitomi (résolution spectrale de 7 eV), obtenues lors des observations de l’amas de galaxies de Persée, une région étendue et complexe de gaz intergalactique avec la présence du noyau de galaxie actif très lumineux à son centre.
L’interprétation astrophysique des résultats obtenus sur l’émission thermique et non-thermique du Centre Galactique sera développée dans le cadre de cette thèse avec une attention particulière aux indices sur l’intense activité passée du trou noir super-massif central.
Formation requise
Le candidat doit être possession d'un diplôme de master recherche en astrophysique ou astro-particules avec une préparation importante en astrophysique des hautes énergies. Des connaissances solides des techniques d'analyse statistique et de traitement d'images sont aussi souhaitables. Un stage de master 2 en analyse des données X du Centre Galactique est proposé en 2019 dans ce même cadre et il est fortement conseillé.
Encadrement, financement, collaborations et perspectives :
Encadrement: Le travail de thèse se déroulera au laboratoire APC et éventuellement au DAp/CEA sous la direction de Andrea Goldwurm (DR au DAp/IRFU/CEA Saclay et à APC, HDR, thèses encadrées ou co-encadrées: 7), Regis Terrier (CR CNRS au laboratoire APC, thèses encadrées ou co-encadrées: 4)
Financements: financement CNES demandé, soutien à candidature CFR/CEA et à bourse de thèse ED560.
Collaborations: S. Gabici, A. Lemière, APC; M. Morris, UCLA (US), M. Clavel, IPAG (F) ; G. Ponti, Obs. Merate (I) et MPE Garching (D).
Perspectives :
Au terme de sa thèse le candidat aura acquis une vaste expertise dans le domaine du traitement et de l’interprétation de données X et pourra s’insérer dans des laboratoires ou au sein des équipes qui travaillent dans les domaines de l’astrophysique des hautes énergies et de l’astro-particule. La préparation scientifique acquise permettra aussi de postuler avec succès dans le secteur privé ou les techniques d’analyse statistique et/ou la méthode et la rigueur scientifique sont requises.
