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.

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
- ESO VLT (ISAAC, NAOS-CONICA, VISIR); NTT (SOFI, EMMI,
SUSI2) et 2.2m (IRAC2b), Chili:
- 26 propositions de temps acceptées (13 en tant que PI),
30 heures par semestre de ToO (temps prioraire) depuis 1997, plus de 24
nuits d'observation en mode visiteur sur 6 missions
- UKIRT (UK-Infrared telescope, IRCAM, UFTI), Mauna Kea, Hawaii, US:
- 5 propositions de temps acceptées (3 en tant que PI) 12
heures de ToO depuis 1999, 5 nuits d'observation en mode visiteur
- WHT (William Hershell Telescope) et Nordic Optical Telescope
(NOT), Canary Islands: observations ToO
- IRAM radiotélescope de 30m, Granada, Espagne: + de 5
semaines d'observations
- VLA (Very Large Array), Socorro, USA
- RXTE, XMM, INTEGRAL: 10 propositions acceptées
V. Séminaires et
communications orales
17 congrès
internationaux dont 3 invités:
- Vulcano Workshop (Italy) 22nd - 27th May, 2006, INVITÉ
- Cozumel, Triggering relativistic jets Mexico, 03-04/2005
- XXXVI Renc. Moriond Astrophysics ``Very High Energy Phenomena in
the Universe'', La Thuile, 03/2005, INVITÉ
- 5th Microquasar Workshop: Beijing, 06/2004
- Unidentified High Energy Sources, Hong Kong, 06/2004
- 5th INTEGRAL Workshop : The INTEGRAL Universe, Münich, D,
16-20/02/2004
- IAU Col. 194 "Compact Binaries in the Galaxy and Beyond", La Paz,
Mexico, 17-22/11/2003
- 4th Microquasar Workshop: Cargese, France, 05/2002
- 22nd Moriond Astrophysics Meeting, France, 9-16/03/2002, ``The
Gamma-Ray Universe'', Les Arcs
- RAS meeting on Microquasars, Londres (UK), 11/05/2001, INVITÉ
- IIIrd Microquasar Workshop, Granada, Espagne, 11-13/09/2000
- IVth INTEGRAL Workshop, Alicante, Espagne, 4-8/09/2000
- CV & LMXB Workshop, Manchester, Royaume-Uni, 17-18/08/2000
- IInd microquasar workshop, Instut d'Astrophysique de Paris,
Déc. 1998
- Ist microquasar workshop, Goddard Space Flight Center, Baltimore
Avril 1997
- XXXIInd Renc. Moriond Astrophysics France, 01/1-997, ``Very High
Energy Phenomena in the Universe'', Les Arcs
- IInd INTEGRAL workshop, Saint Malo, France, 16-20/09/1996
14 congrès
nationaux en France et au Royaume-Uni, dont 6
invités
- Journée APC/LISA, 01/2005 INVITÉ
- Journée MAX, une lentille gamma, IAP, INVITÉ, 23/03/2004
- Final Leverhulme/X-ray binary meeting, Southampton (UK), 09/2002,
INVITÉ
- BAA Variable Star Section Meeting, Northampton (UK), 14/10/2000, INVITÉ
- 2nd Leverhulme/X-ray binary meeting, Leicester (UK), 01/2000, INVITÉ
- Réunion GdR, Radiosources Extragalactiques et AGNs, IAP,
12/1997, INVITÉ
- Stades ultimes de l'évolution stellaire, école
d'Aussois, 16-21/09/2001
- Congrès 2001 de la Société Française
de Physique, Strasbourg, 9-13 juillet 2001
- SF2A, Semaine de l'Astrophysique Française, Lyon, 28 Mai -
1er Juin 2001
- UK X-ray astronomy, Leicester (UK), 28/06/2000
- Réunion du Groupe de Recherche
Accrétion-Disques-Jets, Strasbourg, 11/1998,
- Réunion Binaires X, Strasbourg, 06/1995
- Journées SF2A, Paris, 05/1995
11 séminaires internationaux:
- Allemagne (ESO-Garching)
- Chili (ESO-Santiago) (2)
- États-Unis (JAC-Hawaii)
- Mexique (Morelia) (2)
- Royaume-Uni (Keele, Open University, Oxford, Southampton) (4)
14 séminaires nationaux (en France):
- Grenoble (LAOG)
- Paris (IAP, IAS, LPNHE, Obs. de Meudon, SAp)
- Montpellier (GAM)
- Strasbourg (Observatoire)
- Toulouse (CESR)
VI. Encadrement & Formation
- 2006-2008: Thèse de Farid Rahoui, co-financement
ESO-CEA, Sujet: Étude multi-longueur d'onde de sources binaires
de haute énergie de la Galaxie
- 2004: stage de DEA (4 mois) au Service d'Astrophysique de
Nicolas Bessolaz: étude du candidat trou noir de notre Galaxie
XTE J1720-318 (Bessolaz, Chaty 2005).
- 2000-2004: Thèse de Craig R. Powell (Open
University). Co-encadrement à 50 avec Carole A. Haswell.
Observations et interprétation de sources binaires X (Chaty,
Powell et al.)
- 2003-2004: Post-doc (7 mois) au Service d'Astrophysique de
Philippe Filliatre (La contrepartie optique et proche-infrarouge de la
source INTEGRAL obscurcie IGR J16318-4848: une étoile sgB[e]
dans un système binaire de grande masse), Filliatre & Chaty,
2004, ApJ, 616, 469.
- 2003-2005: Post-doc (2 ans) de William Clarkson (Open
University). Co-encadrement à 50% avec Carole A. Haswell. J'ai
obtenu un an de son financement lors d'un appel d'offre de l'Open
University. Organisation/analyse de campagnes d'observation
multi-longueurs d'onde.