Activités de recherche


 Étude multi-échelle des phénomènes relativistes de l'Univers


  I. Thèmes de recherche


         Phénomènes relativistes de l'Univers: accrétion et éjection de matière dans les microquasars

Mes activités de recherche se concentrent sur une étude multi-longueur d'onde des sources transitoires de haute énergie, principalement celles de la Galaxie. Ce sont des systèmes binaires dont l'un des constituants est un astre compact (étoile à neutrons ou trou noir de masse stellaire) attirant la matière d'une étoile compagnon. De temps en temps, la matière s'accumulant sous la forme d'un disque d'accrétion devient instable, se traduisant par une intense augmentation d'émission sur l'ensemble du spectre électromagnétique: la source devient "active''. Parmi cet ensemble de sources, les objets présentant des jets relativistes, baptisés microquasars, m'intéressent plus particulièrement. La présence de ces jets est justement ce qui rend ces objets intéressants, car plusieurs questions se posent, qui sont essentielles  à la compréhension de la nature et du fonctionnement de ces formidables puits gravitationnels: quels sont les processus physiques permettant l'éjection à partir de l'accrétion, quelle est la nature des jets, quelle est l'énergie des électrons du jet, quelle est la fraction de masse qui est éjectée?

         Interactions entre matière éjectée par ces sources et milieu environnant

Ces microquasars émettant de façon sporadique ou parfois continue des jets, les éjections se propagent dans le milieu les entourant, et il se produit des interactions, à différentes échelles, entre la matière éjectée par ces sources et le milieu les environnant.

         Évolution des systèmes binaires

Chaque système binaire contient deux objets dont l'évolution est accélérée par son compagnon: à la fois l'objet compact et l'étoile compagnon évoluent différemment du fait de la présence de l'autre objet. L'étude de cette évolution à long terme,  en particulier de l'étoile compagnon, permet de mieux comprendre les modèles de population d'étoiles dans les systèmes binaires.

         Comparaison avec les noyaux actifs de galaxie et les sursauts de rayons gamma

Les microquasars présentent une morphologie et des phénomènes dynamiques analogues aux quasars, mais sur une échelle de longueur des millions de fois inférieure. L'échelle de temps des phénomènes se produisant autour d'un trou noir est proportionnelle à sa masse, donc les phénomènes par exemple d'accrétion-éjection se déroulent beaucoup plus vite au sein des microquasars que des quasars. La comparaison entre quasars et microquasars permet donc de mieux comprendre le processus des éjections relativistes. En outre, s'il existe les blazars, des quasars dont le jet pointe vers nous, existe-t-il aussi les microblazars, leur analogue pour les microquasars? Enfin, on retrouve au sein des sursauts gamma des phénomènes d'éjection similaires à ceux présents dans les (micro)quasars. Le but ultime de cette recherche est ainsi de comprendre les phénomènes relativistes se produisant dans ces laboratoires de physique fondamentale.

  II. Moyens mis en oeuvre

         Étude et observation multi-longueur d'onde (de la radio aux rayons gamma): plus de 50 propositions de temps acceptées sur les grands observatoires et satellites

Chaque élément du système émet dans des domaines de longueurs d'onde variés: le disque d'accrétion émet des X/gamma à l'infrarouge, l'étoile compagnon de l'ultraviolet à l'infrarouge et les jets de l'infrarouge (ou des X?) à la radio. Il est donc nécessaire, pour comprendre ces objets, d'entreprendre une approche multi-longueur d'onde.

         Organisation d'un  vaste programme international  d'observation en "cible d'opportunité"

Ces microquasars n'étant pas toujours en activité, il faut les observer au bon moment, et de façon très rapide, et donc disposer par avance de temps d'observation dans différents observatoires. J'ai donc bâti, en collaboration avec différentes personnes (en France Félix Mirabel, au Royaume-Uni Carole Haswell, aux Etats-Unis Rob Hynes, etc.), un programme international d'observation multi-longueur d'onde, qui nous permet d'obtenir un droit prioritaire d'observation (cible d'opportuné interrompant les programmes en cours) au cas où une nouvelle source apparaisse, ou si une source déjà connue redevient active, afin d'observer très rapidement sur l'ensemble du spectre, des gamma à la radio.
Ainsi, je suis le principal responsable de programmes d'observations infrarouge/optique (ESO/NTT, UKIRT), co-responsable de programmes en radio (VLA, VLBA), UV/optique/infrarouge  ( HST/STIS, Gemini-N/S, INT, JKT, NOT), en X (INTEGRAL, XMM,  RXTE, Chandra, FUSE, HETE-2, HESS). Pour une étude plus approfondie de ces objets, j'effectue aussi des demandes de temps classiques sur ces observatoires/satellites.

  III. Résultats marquants


         Découverte du lien entre accrétion et éjection au sein du microquasar GRS 1915+105

Grâce  un ensemble de campagnes d'observations simultanées multi-longueur d'onde, dans le cadre d'une collaboration internationale, j'ai découvert le précurseur synchrotron infrarouge aux sursauts radio, lié à l'expansion adiabatique du nuage de plasma relativiste éjecté. J'ai ensuite mis en évidence le lien entre les phénomènes d'accrétion et d'éjection
de matière se produisant autour de l'objet compact et microquasar GRS 1915+105 (Chaty, Thèse 1998, cf figure). Ce résultat est essentiel pour la compréhension des objets que sont les microquasars, mais aussi pour l'ensemble des sources à jets présentes dans l'Univers tout entier, dont les quasars et les noyaux actifs de galaxie.



Accretion and ejection in the microquasar GRS 1915+105
Observations du lien entre accrétion et éjection au sein du microquasar GRS 1915+105: disparion rapide de la partie interne du disque d'accrétion, remplissage (rayons X), et éjection de nuages de plasma relativistes (émission synchrotron, en infrarouge puis en radio) (Chaty, Thèse 1998).


         Découverte d'une nouvelle population de sources enfouies vue par INTEGRAL

Le satellite INTEGRAL a découvert plusieurs sources enfouies dans le bras galactique de Norma, dont la nature est inconnue. Grâce à mes observations en optique et infrarouge, j'ai pu montrer que IGR J16318-4848 est un système binaire de grande masse contenant une étoile supergéante B[e].  Si les autres sources du bras de Norma se révèlent être similaires, alors nous faisons face à un nouveau type de source de haute énergie, qui permettra de mieux comprendre l'évolution à long terme de ces systèmes (Filliatre & Chaty, 2004, ApJ, 616, 469).

         Les jets émettent depuis la radio jusqu'aux hautes énergies, lien accrétion/éjection

Grâce à mon réseau d'observations multi-longueurs d'onde, j'ai observé le candidat trou noir XTE J1118+480 depuis la radio jusqu'aux rayons gamma, en le suivant tout au long de son sursaut d'activé, jusqu'à son retour à l'état calme. La richesse de ces observations m'a permis de modéliser précisément l'émission provenant du disque d'accrétion, des jets, et de l'étoile compagnon. L'évolution de ces émissions tout au long du sursaut suggère que le jet émet depuis la radio jusqu'aux hautes énergies, et que l'énergie transportée par l'accrétion est corrélée à l'énergie injectée dans les jets. Ce résultat est très important car il montre que l'énergie associée aux jets est plus importante que ce qui était communément admis dans la communauté travaillant sur les microquasars (Chaty et al., 2003, MNRAS, 346, 689).

         Mise en évidence d'interactions éjections-milieu environnant

En observant en optique/infrarouge certains sursauts du microquasar GRS 1915+105 et d'une source qui pourrait être le premier microblazar: V4641 Sgr, et en les comparant aux observations radio, j'ai montré que la matière éjectée par chaque source est entrée en collision avec leur environnement (Chaty et al. 2003, MNRAS, 343, 169; 2001, A&A, 366, 1035).

         Ejection: propagation d'une onde de choc

En appliquant les modèles d'éjection de quasar aux observations d'éjection que j'avais effectuées sur le microquasar GRS 1915+105, Türler a montré que les éjections représentent la propagation d'une onde de choc moyennement relativiste, et non de nuages de plasma, contrairement à ce qui était communément admis dans la communauté scientifique travaillant sur les microquasars (Türler, Courvoisier, Chaty, Fuchs, 2004, A&A, 415, L35).

         Découverte de la contrepartie infrarouge de 8 sources de haute énergie:

J'ai découvert la contrepartie infrarouge des objets XTE J1908+094, IGR J16318-4848, XTE J1118+480, V4641 Sgr, GRO J1655-40, XTE J1859+226, GRS 1734-292, GX 354-0, et je les ai étudiées, afin de contraindre leur nature, leur distance, etc.

  IV. Expérience en Observations


  V. Séminaires et communications orales

 17 congrès internationaux dont 3 invités:

 14 congrès nationaux en France et au Royaume-Uni, dont 6 invités

          11 séminaires internationaux:

          14 séminaires nationaux (en France):

  VI. Encadrement & Formation