Thèse Étude de la Polarisation du Rayonnement Près de l'Horizon des Événements de Sagittarius A. Conséquences sur la Mesure du Champ Magnétique et la Nature de l'Objet Central Compact Super-Massif H/F - Doctorat.Gouv.Fr

Établissement : Observatoire de Paris École doctorale : Astronomie et Astrophysique d'Ile de France Laboratoire de recherche : Laboratoire d'Instrumentation et de Recherche en Astrophysique Direction de la thèse : Guy PERRIN ORCID 0000000306800167 Début de la thèse : 2026-10-01 Date limite de candidature : 2026-04-17T23:59:59 Sgr A* est le candidat trou noir dont la dimension apparente est la plus grande. Cela en fait la cible privilégiée pour étudier de façon directe l'horizon des événements et donc la nature de l'objet central. L'instrument GRAVITY mesure depuis 2018 des orbites de seulement quelques rayons de Schwarzschild de poches de plasma porté à très haute température appelées sursauts. Ces mesures ont apporté de très fortes contraintes sur le caractère compact de l'objet central, renforçant l'hypothèse du trou noir. Ces épisodes sont les plus proches observés de l'objet, ce qui implique qu'ils apportent potentiellement une information d'une extraordinaire richesse sur l'espace-temps, au plus près d'un trou noir supermassif, décrit par la théorie de la relativité générale et qui dépend bien sûr des caractéristiques de l'objet central : masse, spin et charge selon le théorème de calvitie des trous noirs. Les sursauts sont donc à la fois une sonde de l'espace-temps autour de l'objet central et une source d'information sur celui-ci. À cela s'ajoute le potentiel de réaliser des tests de relativité générale et de la théorie du trou noir. La difficulté de ces tests, par rapport à ceux réalisés à partir d'orbites d'étoiles considérées comme des points matériels, mais à bien plus grande distance du trou noir, c'est la nécessité d'une très bonne compréhension astrophysique de l'environnement de l'objet central pendant et hors sursauts. De tels tests, dont la possibilité ou l'impossibilité sera discutée au cours la thèse, offrent potentiellement la perspective de comparaisons avec les tests en cours avec des étoiles.

Cette ambition est l'objectif global de la thèse proposée. L'étude s'appuiera sur les données GRAVITY enregistrées lors de sursauts. Elle nécessitera la mise en place de nouvelles procédures pour le traitement des données pour mesurer les propriétés de polarimétrie des visibilités observées par GRAVITY et apporter des contraintes sur l'objet, son environnement et le champ magnétique pendant et peut-être hors sursauts. Ces nouvelles procédures permettront d'améliorer la précision des résultats publiés jusqu'à présent qui n'ont pas pris en compte les caractéristiques polarimétriques de la source ni celles de l'instrument dans l'interprétation des visibilités complexes. Elles s'appuieront sur de récents travaux de la direction de thèse. Les résultats des mesures de GRAVITY dans l'infrarouge proche pourront par ailleurs être utilisés de concert avec des données ALMA lors d'événements comparables. Ils pourront aussi être comparés à ceux obtenus avec l'Event Horizon Telescope, cependant non résolus en temps pendant des sursauts. Ces comparaisons seront utiles pour contraindre la distribution du champ magnétique et son intensité, des données importantes pour l'interprétation des visibilités polarisées de GRAVITY et, à terme, pour l'interprétation des orbites autour de Sgr A* et donc l'exploration de l'espace-temps au plus près de l'objet. Des travaux sur des simulations faites par d'autres équipes pourront également être conduits pour comprendre ce qui peut être attendu lors d'observations et évaluer les procédures développées pour GRAVITY.
La thèse se déroulera dans l'équipe d'interférométrie du LIRA qui a développé GRAVITY avec ses partenaires du consortium. Elle bénéficiera des expertises instrumentales et théoriques de l'équipe et d'un environnement collaboratif international. Le ou la doctorante produira un travail original en interférométrie optique polarisée appliquée à l'étude de l'objet compact supermassif au centre de la Galaxie et développera une expertise (unique) en réduction des données interférométriques optique, mais aussi dans un cadre relativiste en proximité immédiate d'un probable trou noir, sur un sujet à très forte visibilité internationale. Le sujet se place aux interfaces entre mesures expérimentales pour la polarimétrie, observation et théorie (relativité générale, trous noirs) avec un profil original à construire. Sgr A* est parmi les candidats trou noir, celui sur lequel l'on dispose de plus de données et en particulier de données spatiales, ce qui est extrêmement rare s'agissant de trous noirs qui sont les objets les plus compacts qui soient. Les observations faites avec GRAVITY depuis 2016 pointent toutes dans la direction du trou noir dans le cadre de la relativité générale d'Einstein. Nous avons obtenu en 2018 les premières données sur des sursauts qui ont clairement démontré le caractère super-compact de l'objet avec des orbites d'un peu moins de 5 rayons de Schwarzschild autour de l'objet central. Tous les candidats alternatifs au trou noir ont à ce stade été écartés. Nous disposons d'une estimation très précise de la masse de Sgr A*. Partant de l'hypothèse qu'il est peu probable que le trou noir soit chargé, et en vertu du théorème de calvitie des trous noirs, le seul paramètre manquant est donc le spin pour totalement caractériser le trou noir. Cette quantité devrait être obtenue avec des données GRAVITY après deux orbites d'étoiles proches (la plus proche a une orbite de 7 ans et vient juste d'être découverte par GRAVITY). Mais les sursauts offrent une alternative pour l'obtention du spin, une alternative restant nécessaire ne serait-ce que pour vérifier que l'on obtient la même chose et que l'on comprend bien l'objet et la théorie de la relativité générale.
C'est ce contexte et la quête du spin qui a conduit à la proposition de ce sujet de thèse. La mesure du spin est un défi en soi à partir des sursauts. Mais les sursauts sont potentiellement très riches d'informations et sont notre sonde la plus proche de l'horizon des événements alors que les étoiles passent au plus près à plusieurs centaines de fois son rayon. Caractérisation de Sgr A* et de son environnement.
Utilisation de méthodes optimales pour la mesure des orbites de sursauts lumineux autour de Sagittarius A*. Observations : instrument GRAVITY du VLTI
Réduction des données : prises en compte des effets de polarisation
Utilisation de simulations (faites par des collaborateurs) pour tester la réduction et l'étalonnage des données de polaro-interférométrie
Comparaison des résultats avec des calculs théoriques de caractéristiques d'orbites autour du trou noir supermassif.

Les données interférométriques de GRAVITY sur des sursauts de Sgr A* étant le point de départ fondamental du sujet, il est attendu des candidats qu'ils puissent réduire des données de ce type et élaborer un code de réduction. Des connaissances en optique cohérente ou en imagerie ou en optique de Fourier sont donc un plus. De même qu'une capacité à réaliser des programmes en Python. Des notions de relativité générale seront également un plus. Du fait du caractère multi-forme du sujet, il est surtout attendu des candidats une capacité à apprendre sans être forcément spécialiste de chaque aspect du sujet dès le départ.