Adaptive optics, image restoration and study of active galactic nuclei
Optique adaptative, traitement d'image et étude des noyaux actifs de galaxie
Résumé
The objective of this PhD thesis was to optimize AO observations of AGNs with a 8-10m class telescope. Data have been acquired with NaCo at VLT, new image processing techniques have been developped and some original results have been found and published.
Concerning image restoration, a new maximum likelihood method for sub-pixel image registration has been developpe, tested on simulated data and applied to real NaCo data. A MAP deconvolution method called MISTRAL has also been optimized to the case of high contrast imaging and applied to NaCo data. Finally, the classical PSF reconstruction algorithm has been tested on simulated data and I showed that it was not appropriate to the case of faint object observations such as AGNs. Some new methods have been proposed and tested on simulations.
Concerning astronomical studies, three archetypal objects have been intensively observed in the Near-IR using classical imaging as well as spectroscopy and coronagraphy. In the case of NGC 1068, data processing unveiled some new structures with a peculiar morphology, probably linked to the jet. The state of the dust in these structures seems also very peculiar as it may be dominated by a VSG population. In the case of NGC 7469, a pair of micro-spiral arms were unveiled by data processing in the inner 2". The presence of strong H2 emission in the direction of the very central source found thanks to spectroscopy at high resolution is a strong clue favoring the unified scheme of AGNs. Finally, in the case of Arp 220, a group of 3 nuclear sources has been clearly identified at 3.5µm allowing a comprehensive study frm the visible to the radio wavelengths.
Concerning image restoration, a new maximum likelihood method for sub-pixel image registration has been developpe, tested on simulated data and applied to real NaCo data. A MAP deconvolution method called MISTRAL has also been optimized to the case of high contrast imaging and applied to NaCo data. Finally, the classical PSF reconstruction algorithm has been tested on simulated data and I showed that it was not appropriate to the case of faint object observations such as AGNs. Some new methods have been proposed and tested on simulations.
Concerning astronomical studies, three archetypal objects have been intensively observed in the Near-IR using classical imaging as well as spectroscopy and coronagraphy. In the case of NGC 1068, data processing unveiled some new structures with a peculiar morphology, probably linked to the jet. The state of the dust in these structures seems also very peculiar as it may be dominated by a VSG population. In the case of NGC 7469, a pair of micro-spiral arms were unveiled by data processing in the inner 2". The presence of strong H2 emission in the direction of the very central source found thanks to spectroscopy at high resolution is a strong clue favoring the unified scheme of AGNs. Finally, in the case of Arp 220, a group of 3 nuclear sources has been clearly identified at 3.5µm allowing a comprehensive study frm the visible to the radio wavelengths.
À travers mon travail de thèse sur les noyaux actifs de galaxie, dans le proche IR, avec un grand télescope (8-10m) muni d'une optique adaptative, j'ai été amené à faire intervenir des disciplines d'horizons très différents.
Plus précisément, il s'agissait d'obtenir des données sur des noyaux actifs de galaxie avec NaCo, de créer et/ou d'adapter de nouvelles techniques de traitement pour les observations avec une optique adaptative, pour enfin interpréter les données ainsi traitées, notamment en les comparant à des modèles numériques. L'acquisition de cette double compétence a été particulièrement favorisée par le statut de ma thèse qui avait pour cadre une collaboration entre l'ONERA et le LESIA.
Le problème astrophysique auquel je me suis attaqué est celui de la structuration de l'environnement immédiat des Noyaux Actifs de Galaxie (NAGs) et en particulier du test de l'hypothèse d'un tore de gaz moléculaire et de poussières ainsi que de son interaction avec un jet issu du NAG. Les échelles de ces structures (dizaine de pc) impliquent une résolution angulaire très élevée et la variété des phénomènes en jeu induit des morphologies parfois complexes qu'il est impératif de distinguer d'artefacts instrumentaux subtils.
Trois techniques de renforcement de la résolution angulaire et du contraste ont été développées ou améliorées dans ce travail :
- Le recentrage d'image sub-pixelique, grâce à un algorithme de type
maximum de vraisemblance
- La déconvolution d'image sous contraintes
- La reconstruction de la fonction d'étalement de point de l'instrument
avec les données d'analyse de front d'onde
Dans chaque cas, la méthode a été appliquée à des données réelles et a permis effectivement un gain important sur la finesse angulaire et donc, au final, sur le retour astrophysique, avec plusieurs résultats originaux en particulier concernant NGC1068 le plus étudié des noyaux de Seyfert de type 2 :
- Dans le cas d'Arp 220, prototype des noyaux de galaxie ultra-lumineuses, deux composantes nucléaires ont pu être clairement identifiées, pour la première fois à 3.8µm dans la partie Est du coeur d'Arp 220, permettant d'établir un lien direct entre le proche et le moyen IR. De plus, un double bras d'émission, probablement la zone d'interaction des deux galaxies en fusion, est clairement mis en évidence, entre la source Ouest et les deux sources Est du coeur.
- Dans le cas de NGC 1068, de nouvelles structures à la morphologie très particulière (vagues quasi-périodiques), encadrant le jet radio, ont été mises en évidence en bande L' et M d'une part et en bande Ks d'autre part grâce aux premières observations coronographiques jamais réalisées dans le domaine extragalactique. Ces structures dont la formation n'est pas encore expliquée, témoignent d'une interaction forte du jet avec la Narrow Line Region. Une étude photométrique précise dans ces 3 bandes m'a aussi permis de conclure que la poussière dans ces structures était majoritairement composée de nano-grains, peut-être des nano-diamants. En plus d'avoir montré que le cœur était résolu, des observations spectroscopiques de la source la plus centrale m'ont enfin permis d'apporter un certain nombre d'éléments en faveur du modèle unifié des NAG, notamment la présence d'une cavité de sublimation des grains et la présence de gaz moléculaire non dissocié à petite distance du NAG. Le modèle de transfert radiatif dans le tore, développé dans le cadre de ma thèse, a permis de montrer la cohérence de l'ensemble des données.
- Dans le cas de NGC 7469, une structure micro-spirale a été mise en évidence grâce à la déconvolution dans les 2" centrales de cette galaxie de Seyfert de type I. De plus des observations spectroscopiques montrent des raies en émissions de l'hydrogène moléculaire sur la ligne de visée de la source la plus centrale, argument fort en faveur du modèle unifié des NAG.
- J'ai également contribué à la réduction de données des mesures faites sur le trou noir supermassif du Centre Galactique de 3 à 5 µm qui ont montré la fréquence importante des flares et leur localisation dans un volume de quelques rayons de Schwarzschild.
Un certain nombre d'autres observations ont été réalisées durant cette thèse et sont en cours d'exploitation : on citera notamment les premières observations polarimétriques à haute résolution du jet de M87 dans l'IR proche.
Plus précisément, il s'agissait d'obtenir des données sur des noyaux actifs de galaxie avec NaCo, de créer et/ou d'adapter de nouvelles techniques de traitement pour les observations avec une optique adaptative, pour enfin interpréter les données ainsi traitées, notamment en les comparant à des modèles numériques. L'acquisition de cette double compétence a été particulièrement favorisée par le statut de ma thèse qui avait pour cadre une collaboration entre l'ONERA et le LESIA.
Le problème astrophysique auquel je me suis attaqué est celui de la structuration de l'environnement immédiat des Noyaux Actifs de Galaxie (NAGs) et en particulier du test de l'hypothèse d'un tore de gaz moléculaire et de poussières ainsi que de son interaction avec un jet issu du NAG. Les échelles de ces structures (dizaine de pc) impliquent une résolution angulaire très élevée et la variété des phénomènes en jeu induit des morphologies parfois complexes qu'il est impératif de distinguer d'artefacts instrumentaux subtils.
Trois techniques de renforcement de la résolution angulaire et du contraste ont été développées ou améliorées dans ce travail :
- Le recentrage d'image sub-pixelique, grâce à un algorithme de type
maximum de vraisemblance
- La déconvolution d'image sous contraintes
- La reconstruction de la fonction d'étalement de point de l'instrument
avec les données d'analyse de front d'onde
Dans chaque cas, la méthode a été appliquée à des données réelles et a permis effectivement un gain important sur la finesse angulaire et donc, au final, sur le retour astrophysique, avec plusieurs résultats originaux en particulier concernant NGC1068 le plus étudié des noyaux de Seyfert de type 2 :
- Dans le cas d'Arp 220, prototype des noyaux de galaxie ultra-lumineuses, deux composantes nucléaires ont pu être clairement identifiées, pour la première fois à 3.8µm dans la partie Est du coeur d'Arp 220, permettant d'établir un lien direct entre le proche et le moyen IR. De plus, un double bras d'émission, probablement la zone d'interaction des deux galaxies en fusion, est clairement mis en évidence, entre la source Ouest et les deux sources Est du coeur.
- Dans le cas de NGC 1068, de nouvelles structures à la morphologie très particulière (vagues quasi-périodiques), encadrant le jet radio, ont été mises en évidence en bande L' et M d'une part et en bande Ks d'autre part grâce aux premières observations coronographiques jamais réalisées dans le domaine extragalactique. Ces structures dont la formation n'est pas encore expliquée, témoignent d'une interaction forte du jet avec la Narrow Line Region. Une étude photométrique précise dans ces 3 bandes m'a aussi permis de conclure que la poussière dans ces structures était majoritairement composée de nano-grains, peut-être des nano-diamants. En plus d'avoir montré que le cœur était résolu, des observations spectroscopiques de la source la plus centrale m'ont enfin permis d'apporter un certain nombre d'éléments en faveur du modèle unifié des NAG, notamment la présence d'une cavité de sublimation des grains et la présence de gaz moléculaire non dissocié à petite distance du NAG. Le modèle de transfert radiatif dans le tore, développé dans le cadre de ma thèse, a permis de montrer la cohérence de l'ensemble des données.
- Dans le cas de NGC 7469, une structure micro-spirale a été mise en évidence grâce à la déconvolution dans les 2" centrales de cette galaxie de Seyfert de type I. De plus des observations spectroscopiques montrent des raies en émissions de l'hydrogène moléculaire sur la ligne de visée de la source la plus centrale, argument fort en faveur du modèle unifié des NAG.
- J'ai également contribué à la réduction de données des mesures faites sur le trou noir supermassif du Centre Galactique de 3 à 5 µm qui ont montré la fréquence importante des flares et leur localisation dans un volume de quelques rayons de Schwarzschild.
Un certain nombre d'autres observations ont été réalisées durant cette thèse et sont en cours d'exploitation : on citera notamment les premières observations polarimétriques à haute résolution du jet de M87 dans l'IR proche.
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