Gravitation en champ fort autour du centre galactique avec l

L’étude du trou noir supermassif au centre de
la Galaxie avec l’instrument GRAVITY
Journée de l’acton fédératrice GPhys
Guy Perrin
27 mai 2014
La direction du centre Galactique vue par
le satellite infrarouge Spitzer
2
Ém ission de Sgr A *
bande K
(2-2,4 µm)
Dodds-Eden et al. (2009)
Dimensionné pour Sgr A *
32 magnitudes d’extncton dans le visible.
Rayon de l’horizon du trou noir : 10 µas.
Étoiles ~ brillantes dans l’infrarouge proche, sursauts ~
brillants à 2,3 µm -> bande K (2,0-2,4 µm)
Objectfs :
- utliser les sursauts comme partcules-tests pour
étudier la relatvité générale en champ fort par
astrométrie ;
- mesurer le spin du trou noir par imagerie du
champ central d’étoiles ;
- tester le théorème d’absence de chevelure des
trous noirs ;
- tester la nature de l’objet.
Genzel et al. (2003)
MSgr A*= 3,61±0,32
10

6M
Soleil
(d = 7,62±0,32 kpc)
Gillessen et al. (2009)
Quelle est la size
nature
de
Sgr
A*
?
(R (2.8x10 M ))
6
s
101
sun
103
105
6
2.8x10
3x106 M⊙Msun BH
Dimension
et mouvement
de SgrA*
Orbite de S
19
102
2
10-3
10
>105 yrs
Mouvements propres
14
10
fermion ball
(17 keV)
109
9
>10 yrs
-7
10
Genzel et al.
Mouvements
du gaz
density stellar cusp at 0.5"
>1010 yrs
density nuclear
star cluster at 0.3 pc
-5
10
-3
-1
10
Sizeen
inparsec
pc
Taille
size
(pc)
density (g cm )
boson star
-3
Densité (Msoleil /pc3)
density (Msun pc )
10
-3
Trou noir
24
10
5
10-8
10-13
Nature des sursauts
Trois scenarios :
• reconnexion
magnétque dans le jet
• point chaud en orbite
• fuctuatons statstques
Le consortum GRAVITY
Frank Eisenhauer, Guy Perrin, Wolfgang Brandner, Christan Straubmeier , Karine Perraut , Antonio Amorim , Markus
Schöller, Reinhard Genzel, Pierre Kervella , Myriam Benisty, Sebastan Fischer , Laurent Jocou, Paulo Garcia, Gerd Jakob,
Stefan Gillessen, Yann Clénet , Armin Boehm, Constanza Araujo-Hauck, Jean-Philippe Berger, Jorge Lima, Roberto Abuter,
Oliver Pfuhl, Thibaut Paumard, Casey P. Deen, Michael Wiest , Thibaut Moulin, Jaime Villate, Gerardo Avila, Marcus Haug,
Sylvestre Lacour , Thomas Henning, Senol Yazici , Axelle Nolot , Pedro Carvas, Reinhold Dorn, Stefan Kellner, Eric Gendron,
Stefan Hippler, Andreas Eckart , Sonia Anton, Yves Jung, Alexander Gräter, Élodie Choquet , Armin Huber, Narsireddy
Anugu , Philippe Giton, Eckhard Sturm, Frédéric Vincent , Sarah Kendrew, Stefan Ströbele, Clemens Kister, Pierre Fédou,
Ralf Klein, Paul Jolley, Magdalena Lippa, Vincent Lapeyrère, Natalia Kudryavtseva, Christan Lucuix, Ekkehard Wieprecht,
Frédéric Chapron, Werner Laun, Leander Mehrgan, Thomas Ot, Gérard Rousset , Rainer Lenzen, Marcos Suarez, Reiner
Hofmann, Jean-Michel Reess, Vianak Naranjo, Pierre Haguenauer, Oliver Hans, Arnaud Sevin , Udo Neumann, Jean-Louis
Lizon, Markus Thiel, Claude Collin , Jose Ricardo Ramos, Gert Finger, David Moch, Daniel Rouan, Ralf-Rainer Rohlof,
Markus Witkowski, Richard Davies, Denis Ziegler , Karl Wagner, Henri Bonnet, Kate Dodds-Eden, Frédéric Cassaing,
Pengqian Yang, Florian Kerber, Sebastan Rabien, Nabih Azouaoui, Frederic Gonte, Josef Eder, Vartan Arslanyan, WillemJan de Wit, Frank Hausmann, Roderick Dembet, Luca Pasquini, Harald Weisz, Pierre Lena, Mark Casali
Le consortum GRAVITY
Frank Eisenhauer, Guy Perrin, Wolfgang Brandner, Christan Straubmeier , Karine Perraut , Antonio Amorim , Markus
Schöller, Reinhard Genzel, Pierre Kervella , Myriam Benisty, Sebastan Fischer , Laurent Jocou, Paulo Garcia, Gerd Jakob,
Stefan Gillessen, Yann Clénet , Armin Boehm, Constanza Araujo-Hauck, Jean-Philippe Berger, Jorge Lima, Roberto Abuter,
Oliver Pfuhl, Thibaut Paumard, Casey P. Deen, Michael Wiest , Thibaut Moulin, Jaime Villate, Gerardo Avila, Marcus Haug,
Sylvestre Lacour , Thomas Henning, Senol Yazici , Axelle Nolot , Pedro Carvas, Reinhold Dorn, Stefan Kellner, Eric Gendron,
Stefan Hippler, Andreas Eckart , Sonia Anton, Yves Jung, Alexander Gräter, Élodie Choquet , Armin Huber, Narsireddy
Anugu , Philippe Giton, Eckhard Sturm, Frédéric Vincent , Sarah Kendrew, Stefan Ströbele, Clemens Kister, Pierre Fédou,
Ralf Klein, Paul Jolley, Magdalena Lippa, Vincent Lapeyrère, Natalia Kudryavtseva, Christan Lucuix, Ekkehard Wieprecht,
Frédéric Chapron, Werner Laun, Leander Mehrgan, Thomas Ot, Gérard Rousset , Rainer Lenzen, Marcos Suarez, Reiner
Hofmann, Jean-Michel Reess, Vianak Naranjo, Pierre Haguenauer, Oliver Hans, Arnaud Sevin , Udo Neumann, Jean-Louis
Lizon, Markus Thiel, Claude Collin , Jose Ricardo Ramos, Gert Finger, David Moch, Daniel Rouan, Ralf-Rainer Rohlof,
Markus Witkowski, Richard Davies, Denis Ziegler , Karl Wagner, Henri Bonnet, Kate Dodds-Eden, Frédéric Cassaing,
Pengqian Yang, Florian Kerber, Sebastan Rabien, Nabih Azouaoui, Frederic Gonte, Josef Eder, Vartan Arslanyan, WillemJan de Wit, Frank Hausmann, Roderick Dembet, Luca Pasquini, Harald Weisz, Pierre Lena, Mark Casali
Le consortum GRAVITY
Frank Eisenhauer, Guy Perrin, Wolfgang Brandner, Christan Straubmeier , Karine Perraut , Antonio Amorim , Markus
Schöller, Reinhard Genzel, Pierre Kervella , Myriam Benisty, Sebastan Fischer , Laurent Jocou, Paulo Garcia, Gerd Jakob,
Stefan Gillessen, Yann Clénet , Armin Boehm, Constanza Araujo-Hauck, Jean-Philippe Berger, Jorge Lima, Roberto Abuter,
Oliver Pfuhl, Thibaut Paumard, Casey P. Deen, Michael Wiest , Thibaut Moulin, Jaime Villate, Gerardo Avila, Marcus Haug,
Sylvestre Lacour , Thomas Henning, Senol Yazici , Axelle Nolot , Pedro Carvas, Reinhold Dorn, Stefan Kellner, Eric Gendron,
Stefan Hippler, Andreas Eckart , Sonia Anton, Yves Jung, Alexander Gräter, Élodie Choquet , Armin Huber, Narsireddy
Anugu , Philippe Giton, Eckhard Sturm, Frédéric Vincent , Sarah Kendrew, Stefan Ströbele, Clemens Kister, Pierre Fédou,
Ralf Klein, Paul Jolley, Magdalena Lippa, Vincent Lapeyrère, Natalia Kudryavtseva, Christan Lucuix, Ekkehard Wieprecht,
Frédéric Chapron, Werner Laun, Leander Mehrgan, Thomas Ot, Gérard Rousset , Rainer Lenzen, Marcos Suarez, Reiner
Hofmann, Jean-Michel Reess, Vianak Naranjo, Pierre Haguenauer, Oliver Hans, Arnaud Sevin , Udo Neumann, Jean-Louis
Lizon, Markus Thiel, Claude Collin , Jose Ricardo Ramos, Gert Finger, David Moch, Daniel Rouan, Ralf-Rainer Rohlof,
Markus Witkowski, Richard Davies, Denis Ziegler , Karl Wagner, Henri Bonnet, Kate Dodds-Eden, Frédéric Cassaing,
Pengqian Yang, Florian Kerber, Sebastan Rabien, Nabih Azouaoui, Frederic Gonte, Josef Eder, Vartan Arslanyan, WillemJan de Wit, Frank Hausmann, Roderick Dembet, Luca Pasquini, Harald Weisz, Pierre Lena, Mark Casali
GRAVITY combinera les 4 UT (8,20 m) du VLT
ainsi que les 4 AT (1,80 m)
Résoluton angulaire : 4 mas @ 2,2 µm
~ 140 m
10
Mesure des orbites des étoiles proches
Image obtenue après une nuit d’observation :
mas
mas
Image brute
d’une étoile
mas
mas
Image brute d’un
champ de 6 étoiles
mas
Après traitement
(déconvolution)
11
Paumard et al. (2005)
Mesure des efets de relatvité générale avec
l’amas central
Étoiles essentellement inconnues
Résoluton angulaire ~ quelques 100 R s ~ quelques 1 mas
15 mois d’observaton
Système des
étoiles S connues
ramenées dans
les 100 mas
cenrales
(mas)
(mas)
Précession relatviste dans la métrique de Schwarzschild
Paumard et al. (2005)
Efet Lens-Thirring et precession du moment quadrupolaire
Précession du plan de l’orbite (précessiondu
vecteur de moment angulaire autour du spin)
J
orbite 0,1 an, e=0,9
Q2
Théorème de calvitie de Wheeler : un trou noir
est entièrement décrit par 3 paramètres : masse
M, spin J, charge électrique
Le moment quadrupolaire vaut : Q2 = -J2 / M
Will (2008)
La mesure de la précession due à
l’entraînement du référentiel devraitêtre
possible en quelques années pour les
orbites de taille 0,2 - 1 mpc (5 - 25 mas)
Merritt et al. (2010)
Angular accuracy in the near-infrared
Instrum ent size lim ited to ~100 m
• A ngular resoluton lim ited to a few m as i.e. a few
100 R
s
•
l/D
Image shif
unresolved object
The accuracy of image shif measurement
can be as small as 1/100-1/1000 of the
difracton limit.
Angular motons at the Rs scale are measurable in
the near infrared with a long baseline (~ 100 m) interferometer.
Modèles de sursauts
(simulatons GYOTO+GRAVISIM)
Vincent et al. (2014)
Mesure du spin et de son inclinaison
image primaire RG
image
totale
Additon cohérente
des sursauts
Paumard et al. 2005
Ajustement
simultané de la
courbe de
lumière et de
l’orbite
astrométrique
Hamaus et al. 2009
Mayer et al. 2010
Newton
image secondaire RG
Orbites autour d’une étoile à bosons
(trajectoire initale radiale)
~ 100 µas
dans le cas
de Sgr A*
Grandclément, Somé et Gourgoulhon (2014)
GRAVITY : chifres clés
Étapes :
• début du projet en 2006
• Final Design Review : fn 2011 – début 2012
• installaton sur le VLTI mi-2015
Suivi de franges :
• UT (8 m) : K~10
• AT (1,8 m) : K~7
Astrométrie :
• (≥) 10 µas en 5 minutes
Imagerie interférométrique :
• UT : K~16, AT : K~13 en 100s
• SNR(V) = 10 pour la visibilité
• s(f) = 0,1 rad en référence de phase
Cryostat GRAVITY à MPE (Garching)
Merci de votre atenton