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THESE

242 pages
UNIVERSITE DE NICE-SOPHIA ANTIPOLIS - UFR Sciences
Ecole Doctorale Sciences Fondamentales et Appliqu´ees
THESE
pour obtenir le titre de
Docteur en Sciences
de l’UNIVERSITE de Nice-Sophia Antilopis
Discipline : (ou sp´ecialit´e) Sciences de l’Univers
pr´esent´ee et soutenue par
Nicolas NARDETTO
La dynamique atmosph´erique des C´eph´eides
et l’´etalonnage des ´echelles de distance dans
l’univers
Th`ese dirig´ee par Denis MOURARD et co-dirig´ee par Philippe MATHIAS
soutenue le 28 Novembre 2005
Jury :
M. Julien BORGNINO Universit´e de Nice Sophia-Antipolis Pr´esident
Mme. Marie-Jo GOUPIL Observatoire de Paris Rapporteur
M. Dimitar SASSELOV Universit´e de Harvard Rapporteur
M. Claude CATALA Observatoire de Paris Examinateur
M. Denis MOURARD Observatoire de la Cˆote d’Azur Directeur
M. Philippe MATHIAS Observatoire de la Cˆote d’Azur Co-directeur
M. Andrei FOKIN Institut d’Astronomie de Moscou Invit´e
Travaux effectu´es a` l’UMR 6203/GEMINI, OCA, Av. N. Copernic, F-06130 Grasse Remerciements
La Th`ese est une magnifique aventure en Terra Incognita dont le cheminement incertain ne se fait
heureusement pas seul, mais en compagnie d’explorateurs avertis. Je voudrais remercier mes compagnons de
voyage pour leur enseignement et leur soutien. Denis Mourard, mon directeur de Th`ese : notre collaboration
a commenc´e `a Calern au GI2T durant mon stage de DEA, et je dois dire que son soutien sans faille, sa
disponibilit´e, ses conseils avis´es m’ont toujours ´et´e d’une aide pr´ecieuse. ...
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UNIVERSITE DE NICE-SOPHIA ANTIPOLIS - UFR Sciences Ecole Doctorale Sciences Fondamentales et Appliqu´ees THESE pour obtenir le titre de Docteur en Sciences de l’UNIVERSITE de Nice-Sophia Antilopis Discipline : (ou sp´ecialit´e) Sciences de l’Univers pr´esent´ee et soutenue par Nicolas NARDETTO La dynamique atmosph´erique des C´eph´eides et l’´etalonnage des ´echelles de distance dans l’univers Th`ese dirig´ee par Denis MOURARD et co-dirig´ee par Philippe MATHIAS soutenue le 28 Novembre 2005 Jury : M. Julien BORGNINO Universit´e de Nice Sophia-Antipolis Pr´esident Mme. Marie-Jo GOUPIL Observatoire de Paris Rapporteur M. Dimitar SASSELOV Universit´e de Harvard Rapporteur M. Claude CATALA Observatoire de Paris Examinateur M. Denis MOURARD Observatoire de la Cˆote d’Azur Directeur M. Philippe MATHIAS Observatoire de la Cˆote d’Azur Co-directeur M. Andrei FOKIN Institut d’Astronomie de Moscou Invit´e Travaux effectu´es a` l’UMR 6203/GEMINI, OCA, Av. N. Copernic, F-06130 Grasse Remerciements La Th`ese est une magnifique aventure en Terra Incognita dont le cheminement incertain ne se fait heureusement pas seul, mais en compagnie d’explorateurs avertis. Je voudrais remercier mes compagnons de voyage pour leur enseignement et leur soutien. Denis Mourard, mon directeur de Th`ese : notre collaboration a commenc´e `a Calern au GI2T durant mon stage de DEA, et je dois dire que son soutien sans faille, sa disponibilit´e, ses conseils avis´es m’ont toujours ´et´e d’une aide pr´ecieuse. Je le remercie ´egalement pour ses qualit´es humaines rares et son enthousiasme dans le travail. Ensuite, je voudrais remercier Philippe Mathias pourm’avoirdonnerlapassiondelaphysiquestellaireetdelaspectroscopie,d’abordenMaˆıtrisedePhysique, puis en tant que co-directeur de Th`ese. Enfin, la th`ese aurait ´et´e bien peu de choses sans l’enseignement consciencieux et passionn´e d’Andrei Fokin sur l’hydrodynamique et la mod´elisation. Bien plus qu’un simple invit´e a` la Th`ese, je le consid`ere v´eritablement comme un deuxi`eme co-directeur de Th`ese. Pour continuer, je voudrais remercier les membres de mon jury de Th`ese pour leur chaleur humaine ainsi que leurs critiques tr`es appr´eci´ees : Marie-Jo Goupil, Julien Borgnino, Dimitar Sasselov et Claude Catala. La th`ese doit ´egalement beaucoup `a mes collaborateurs scientifiques. Je pense en premier lieu a` Pierre Kervella qui a eu la gentillesse de me guider dans le traitement et l’analyse des donn´ees VINCI/VLTI d`es le d´ebut de ma th`ese. Sa grande rigueur a toujours constitu´e une aide pr´ecieuse. David Bersier fut un soutien tr`es avis´e sur bon nombre de sujets. Je tiens´egalement a` remercier Antoine M´erand pour ses id´ees originales etenparticulierpourlafameuse“m´ethodedelabi-gaussienne”.Jepensebiensuˆr´egalement`aVincentCoud´e Du Foresto, Eric Chapellier, Pascal Fouqu´e, Wolfgang Gieren et Denis Gillet. Enfin, j’ai trouv´e au sein de l’Observatoire de la Cˆote d’Azur et en particulier au coeur du laboratoire GEMINI,unenvironnementdetravailchaleureuxetmotivant.Jeremercietoutsp´ecialementPierreExertier, notre directeur de laboratoire, pour m’avoir accueilli. Durant ma th`ese, j’ai rencontr´e un grand nombre de personnes `a Roquevignon d’abord, mais aussi a` Calern et a` Nice que je voudrais remercier. Je pense `a Philippe Stee pour son enthousiasme l´egendaire, et en particulier je garderai toujours en m´emoire le rythme effr´en´e et surr´ealiste de sa pr´esentation `a la “Nuit Coupole Ouverte” a` Calern; Yves Rabbia pour “ne pas avoir rempli une cruche, mais pour avoir allum´e un brasier”!. Je remercie ´egalement chaleureusement Daniel Bonneau, Olivier Chesneau, Pierre Cruzalebes, Alain Spang, Jean-Michel Clausse, Philippe Berio, Gilles Metris, Bertrand Chauvineau, Florent Deleflie, Danielle Le Contel, Fr´ed´eric Morand, Guy Merlin, Bernadette pour leur tr`es sympathique compagnie. La liste n’est probablement pas compl`ete, mais le coeur y est... Je voudrais aussi remercier l’ensemble du secr´etariat ainsi que le service informatique pour leur aide pr´ecieuse. Un grand merci tout particulier a` David Chapeau pour ses explications informatiques et son aide cruciale depuis le tout d´ebut de mon DEA. A l’heure des remerciements je pense naturellement `a mes “anciens” camarades de DEA : S´ebastien Peirani ou devrais-je dire “suicideman” pour nos passionnantes parties d’´echec, et bien suˆr Eric Lagadec, Denis Garnier, Julien Fr´emaux, S´ebastien Pezzagna et tous les autres pour leur soutien. Les parties de foot du dimanche matin resteront des moments forts! Je pense ´egalement en ce qui concerne Roquevignon `a S´ephane Sacuto, Christophe Buisset, Anthony Meilland, Jonathan Weick et Mickael Dubreuil... plus d’une fois nous avons tent´e de refaire le monde au soleil, apr`es la digestion, sans succ`es! Un merci tout particulier a` Fabien Patru qui est en ce moment mˆeme en face de moi a` scruter son ´ecran (r´edaction de th`ese oblige!), et qui fuˆt un joyeux voisin de bureau... 3 4 Je pense enfin a` mes amis : C´edric Dingens pour les trop rares moments pass´es ensemble, Rossano Mol- fese dont le s´ejour a` l’Observatoire fut malheureusement tr`es bref (prends soin du c`edre!). Pour terminer, en coulisse, je voudrais remercier ma belle-famille et en particulier Jeanne ma belle-grand-m`ere pour avoir corrig´e les fautes d’orthographes de la Th`ese (je tient a pr´ecis´ees qu’elle n’as pas corig´ees les pr´esent rem- merciemment!). Je pense bien suˆr `a ma famille (petite et grande), et en particulier a` Odette, ma grand-m`ere pour la parution de mon article sur la manchette“du progr`es”dans la Loire, mes parents R´egine et Jacques pourleursoutiensansfaille,etenfinJuliemapetitesoeurdevenueprofesseurdeMath´ematiques...Enfinmes derni`erespens´eesvontnaturellement`aMagali.Soncoeura`duˆ battreaurythmedesC´eph´eidespendanttrois ans d´ej`a, et je tiens a` la remercier amoureusement pour sa patience, son soutien perp´etuel, et en particulier pour m’avoir amen´e `a l’Observatoire de tr`es bonne heure, c’est le moins qu’on puisse dire..., durant de long mois d’hivers! Table des mati`eres Introduction 17 1 Les C´eph´eides et les distances dans l’Univers 19 1.1 Les d´eterminations de distance dans l’Univers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 1.1.1 De la Terre aux ´etoiles les plus proches . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 1.1.2 Du bras d’Orion `a la Voie Lact´ee . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 1.1.3 Du Groupe Local au superamas de la Vierge . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 1.1.4 Les superamas voisins . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 1.1.5 L’Univers lointain . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 1.1.6 Cosmologie et distances . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 1.2 La relation P´eriode-Luminosit´e (P-L) des C´eph´eides . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 1.2.1 Des propri´et´es physiques des C´eph´eides ... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 1.2.2 ... A la relation P´eriode-Luminosit´e. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 1.3 Objectif de la th`ese : ´etude du facteur de projection pour une nouvelle calibration spectro-interf´erom´etrique de la relation P-L . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 1.3.1 La m´ethode spectro-interf´erom´etrique de la parallaxe de pulsation . . . . . . 43 1.3.2 Le point clef du facteur de projection : importance de la mod´elisation . . . . 44 2 Les observations du Very Large Telescope Interferometer avec VINCI : l’´etalonnage des ´echelles de distance dans l’univers 47 2.1 La puissance de l’interf´erom´etrie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 2.2 La d´etermination de distance de 7 C´eph´eides galactiques . . . . . . . . . . . . . . . . 52 2.2.1 Les visibilit´es brutes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52 2.2.2 Les visibilit´es calibr´ees . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56 2.2.3 D´etermination des diam`etres angulaires . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59 2.2.4 D´etermination des distances : la m´ethode de la parallaxe de pulsation . . . . 62 2.2.5 Cepheid distances from long-baseline interferometry : I.VINCI/VLTI obser- vations of seven Galactic Cepheids . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66 2.3 Calibration des relations P´eriode-Rayon, P´eriode-Luminosit´e et“Brillance de Surface” 84 2.4 Les incertitudes li´ees `a la m´ethode de la parallaxe de pulsation et a` la relation P-L . 91 2.5 Le survey AMBER . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92 2.6 Importance du facteur de projection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94 5 `6 TABLE DES MATIERES 3 Observations `a haute r´esolution spectrale HARPS : pour une meilleure compr´ehension du facteur de projection 97 3.1 Un mod`ele g´eom´etrique simple pour introduire le facteur de projection . . . . . . . . 98 3.1.1 Effet de projection g´eom´etrique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98 3.1.2 Effet de l’Assombrissement Centre-Bord (ACB) . . . . . . . . . . . . . . . . . 100 3.1.3 Effet de la rotation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102 3.1.4 Effet li´e a` la largeur intrins`eque du profil de la raie . . . . . . . . . . . . . . . 104 3.2 Observations spectrom´etriques HARPS de 10 C´eph´eides . . . . . . . . . . . . . . . . 107 3.2.1 L’asym´etrie des raies spectrales et la dynamique atmosph´erique . . . . . . . . 108 3.2.2 High resolution spectroscopy for Cepheids distance determination : I. Line asymmetry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117 3.3 Conclusion et perspectives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134 3.3.1 Effet des gradients de vitesse sur le facteur de projection. . . . . . . . . . . . 134 3.3.2 Etude multi-raies HARPS pour la d´etermination des gradients de vitesse . . 134 4 Une analyse th´eorique de la dynamique atmosph´erique des C´eph´eides 139 4.1 Le mod`ele hydrodynamique d’Andrei Fokin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140 4.1.1 Equations de base . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141 4.1.2 Le mod`ele statique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142 4.1.3 Le mod`ele hydrodynamique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143 4.1.4 Le transfert de rayonnement : profils spectraux et d’intensit´e . . . . . . . . . 144 4.1.5 Les diff´erents mod`eles dans le monde . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144 4.2 Le facteur de projection et la dynamique atmosph´erique des C´eph´eides . . . . . . . . 145 4.2.1 Mod´elisation de δ Cep.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146 4.2.2 Un facteur de projection adapt´e `a la m´ethode de la parallaxe de pulsation . . 150 4.2.3 Self-consistent modelling of the projection factor for interferometric distances determination . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155 4.2.4 Vers une confirmation spectro-interf´erom´etrique du facteur de projection. . . 163 4.2.5 Probing the dynamical structure of Cepheid’s atmosphere . . . . . . . . . . . 171 4.3 Conclusion et perspectives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179 4.3.1 Impactdesgradientsdevitessesurlefacteurdeprojectionetsurlesr´esultats VINCI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179 4.3.2 Le facteur de projection et la p´eriode de l’´etoile . . . . . . . . . . . . . . . . . 180 5 Perspectives 181 5.1 La d´etermination de distance des C´eph´eides . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181 5.1.1 La d´etermination de distance des C´eph´eides galactiques avec GAIA . . . . . 181 5.1.2 L’interf´erom´etrie diff´erentielle pour les mesures de distance dans le LMC . . . 183 5.2 La dynamique atmosph´erique des C´eph´eides . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 186 5.2.1 Les profils Hα (HARPS) et la perte de masse . . . . . . . . . . . . . . . . . . 186 5.2.2 Le cas particulier de X Sgr . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 188 5.3 Mod´elisation des C´epheides : vers une nouvelle g´en´eration de mod`eles . . . . . . . . 192 6 Conclusion 195 `TABLE DES MATIERES 7 A Cepheid distances from long-baseline interferometry : II. Calibration of the period-radius and period-luminosity relations 197 B Cepheid distances from long-baseline interferometry : III. Calibration of the surface brightness-color relations 205 C The angular size of the Cepheid l Carinae : a comparison of the interferometric and surface brightness techniques 217 D Hydrodynamic models for β Cephei variables I. BW Vulpeculae revisited 223 E Bibliographie de l’Auteur 231 bibliographie 235 Table des figures 1.1 Les distances dans l’Univers - partie 1. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 1.2 Les distances dans l’Univers - partie 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 1.3 Diff´erentes m´ethodes pour diff´erentes ´echelles de distance . . . . . . . . . . . . . . . 31 1.4 Les ´etoiles pulsantes dans le diagramme HR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 1.5 Histoire de la relation P´eriode-Luminosit´e des C´eph´eides . . . . . . . . . . . . . . . . 40 1.6 La m´ethode de la parallaxe de pulsation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 2.1 Historique de l’interf´erom´etrie stellaire `a longue base entre 1950 et 2000 . . . . . . . 49 2.2 The Very Large Telescope Interferometer (VLTI) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52 2.3 Principe de la recombinaison a` fibre de VINCI. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54 2.4 Les observations VINCI de ‘ Car . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64 2.5 Calibration de la relation P´eriode-Rayon des C´eph´eides avec VINCI . . . . . . . . . 86 2.6 Calibration de la relation P´eriode-Luminosit´e des C´eph´eides avec VINCI . . . . . . . 88 2.7 Calibration des relations brillance de surface avec VINCI . . . . . . . . . . . . . . . 90 2.8 Comparaison des diam`etres angulaires photom´etriques et interf´erom´etriques . . . . . 90 2.9 Perspectives : calibration de la relation P-L avec AMBER . . . . . . . . . . . . . . . 93 3.1 Le facteur de projection et l’effet de projection g´eom´etrique . . . . . . . . . . . . . . 99 3.2 Effet de l’assombrissement centre-bord sur le facteur de projection . . . . . . . . . . 101 3.3 Effet de la rotation sur le facteur de projection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103 3.4 La largeur du profil spectral et le facteur de projection . . . . . . . . . . . . . . . . . 105 3.5 Le facteur de projection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106 3.6 Spectre HARPS de β Dor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110 3.7 Courbes de corr´elation th´eoriques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111 3.8 Courbes de corr´elation observationnelles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114 3.9 Courbes de corr´elation de RS Pup . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115 3.10 D´ependances avec la p´eriode de l’´etoile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116 3.11 Perspective : une ´etude multi-raies avec HARPS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137 4.1 Mod´elisation de δ Cep - Les rayons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148 4.2 Mod´elisation de δ Cep - Les vitesses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149 4.3 Vitesse pulsante en fonction de la phase. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151 4.4 Profils d’intensit´e dans le continu en fonction de la phase de pulsation de l’´etoile. . . 164 4.5 Diam`etres angulaires th´eoriques et assombrissement centre-bord. . . . . . . . . . . . 165 4.6 Figure 3D : les profils d’intensit´e dans la raie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166 9 10 TABLE DES FIGURES 4.7 Figure 3D : les profils d’intensit´e dans la raie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166 4.8 La signature en visibilit´e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167 4.9 La structure dynamique de l’atmosph`ere des C´eph´eides . . . . . . . . . . . . . . . . 169 5.1 Les performances astrom´etriques d’HIPPARCOS et GAIA . . . . . . . . . . . . . . . 182 5.2 La pr´ecision envisag´ee sur les mesures de parallaxe des C´eph´eides avec GAIA . . . . 183 5.3 Observables spectrom´etriques et spectro-interf´erom´etriques. . . . . . . . . . . . . . . 185 5.4 D´etermination de distance des C´eph´eides dans le LMC . . . . . . . . . . . . . . . . . 186 5.5 Profils Hα des C´eph´eides observ´ees avec l’instrument HARPS (R = 120000). . . . . 187 5.6 Evolution du profil de raie de X Sgr . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 190 5.7 Vitesses associ´ees aux diff´erentes composantes du profil spectral de X Sgr . . . . . . 191 5.8 Profil Hα de X Sgr . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191