Projet ANR-11-JS56-0013 – POLIOPTIX : Modélisation multi-longueur d'onde du transfert radiatif et de la polarisation pour des noyaux actifs de galaxies et des objets reliés
Programme : JCJC - SIMI 5-6 - Environnement, Terre et Espace (JCJC SIMI 5-6)
Année de financement : 2011
Coordinateur du projet : Monsieur René GOOSMANN (CENTRE NATIONAL DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE - DELEGATION REGIONALE ALSACE)
Partenaires : Observatoire Astronomique de Strasbourg
Montant : 168430.0 euros
Date de début : 2012
Durée : 42 mois
Résumé : Polarisation et couplage radiatif entre les différents milieux d'un noyau actif de galaxieCe projet a pour but d'expliquer la polarisation du rayonnement émis proche d'un trou noir supermassif et ce sur un large domaine spectral allant de l'infrarouge aux rayons X. Le signal de polarisation permet en particulier de contraindre géométriquement et dynamiquement le flot d'accrétion ainsi que les vents éjectés dans ces objets.
Résoudre spatialement les noyaux actifs de galaxie à l'aide de la polarisationBien que les technologies observationnelles ne cessent de s'améliorer, les noyaux actifs de galaxie (AGN) les plus proches ne peuvent toujours pas être directement résolus à l'échelle des flots d'accrétion et d'éjection sur le trou noir supermassif. Les caractéristiques de ces flots ou de la région poussiéreuse autour des régions d'émission de raies larges sont difficiles à contraindre. Afin d'analyser la complexité des régions intérieures des AGN radio-faibles, nous étudions des données observationnelles sur une large gamme de longueurs d'onde afin d'obtenir des fortes contraintes observationnelles pour nos modèles théoriques. Certains de nos résultats s'appliquent également à des classes avoisinantes d'objets, telles que les supposés trous noirs galactiques de quelques masses solaires.
Modélisation et analyses observationnelles d'un couplage radiatif complexeNotre stratégie de travail est à la fois théorique et observationnelle. Le domaine visible/UV est exploré au moyen d'observations de spectropolarimétrie; l'étude des rayons X est basée sur des résultats de spectroscopie obtenus avec, par exemple, le satellite XMM-Newton. Notre analyse s'étend aussi au domaine de l'infrarouge grâce aux archives publiques de spectroscopie. L'une des motivations importantes de ce projet est d'établir des perspectives pour la polarimétrie des rayons X. Notre travail vise à fournir des simulations fiables qui dès aujourd'hui permettront de contraindre la performance des futurs polarimètres de rayons X spatiaux. Pour explorer de façon théorique la complexité des géométries d'émission et de diffusion dans le voisinage d'un trou noir supermassif, nous appliquons le code STOKES, code dédié à la modélisation de la polarisation des AGN. Afin de prendre en compte les effets relativistes sur le rayonnement avoisinant le trou noir, les résultats de STOKES sont combinés avec une méthode de lancer de rayon relativiste. Ce travail de modélisation, nous permettra d'obtenir une image beaucoup plus détaillée de la géométrie et de la dynamique proche d'un trou noir supermassif en phase d'accrétion.
Résumé de la soumission : Avec la technologie observationnelle aujourd'hui disponible, même les noyaux actifs de galaxie (AGN) les plus proches ne peuvent pas être directement observés. Notre compréhension de la structure des AGN repose sur un ensemble de conclusions indirectes venant majoritairement de la spectroscopie. La géométrie et la dynamique des milieux proches d'un trou noir supermassif accrétant doivent être compliquées, mais les détails du flot d'accrétion et d'éjection, de la région de poussière autour du plan équatorial ou des régions d'émission de raies sont difficiles à contraindre. Les différentes régions d'émission et de diffusion sont reliées par couplage radiatif et, à petite distance de la dernière orbite stable du trou noir, des effets relativistes modifient encore le rayonnement. Nous suggérons d'examiner la complexité des régions intérieures des AGN radio-faibles en explorant l'information observationnelle à travers une large gamme de longueurs d'onde et en incluant autant d'observables que possible. Le but du projet de trois ans est une étude à multi-longueur d'onde, de polarimétrie, de spectroscopie et d'analyse temporelle des AGN. Le domaine spectral couvert inclut simultanément la bande infrarouge, visible, ultraviolette et les rayons X. Le modèle inclura aussi les effets d'une fragmentation des milieux de diffusion, notamment pour le tore de poussière et pour la région des raie larges. Nous comptons construire le modèle de transfert de rayonnement le plus avancé et le plus complet possible pour les AGN.Notre stratégie comprend une modélisation théorique intensive et une analyse détaillée de données observationnelles. Pour le domaine visible/UV, nous considérons des observations de spectropolarimétrie et, pour les rayons X, des résultats de spectroscopie avec XMM-Newton. Des résultats de spectroscopie archivés sont également considérés dans le domaine de l'infrarouge. La motivation centrale de cette demande est la perspective claire de nouvelles missions de polarimétrie des rayons X, qui sont annoncées à partir de 2015. Notre travail vise à fournir des simulations fiables qui dès aujourd'hui permettront de contraindre la performance des futures polarimètres des rayons X dans l'espace. A partir du premier lancement, nos modèles pourront être utilisés pour interpréter les premières observations des AGN en polarimétrie des rayons X.Notre consortium inclut des chercheurs expérimentés dans le transfert de rayonnement et dans l'analyse des données de rayons X. Nous avons établi de fiables collaborations internationales avec des experts respectés dans les domaines de la relativité générale, de la polarimétrie des AGN, et du développement de l'instrumentation pour les polarimètres des rayons X. Le projet profitera d'une telle variété d'expertise, et il est conçu pour en tirer des effets de synergie. Notre programme soutient l'activité de recherche sur les AGN, qui est une activité émergeante au sein de l'Equipe Hautes Energie à l'Observatoire de Strasbourg. Les objectifs du projet sont basés sur l'expérience des résultats de modélisation et d'observation précédents. Pour explorer de façon théorique les géométries d'émission et de diffusion complexes dans le voisinage direct d'un trou noir supermassif, on applique le code STOKES qui a déjà été utilisé précédemment pour modéliser la polarisation des AGN. Afin  de prendre en compte les effets relativistes sur le rayonnement très proche du trou noir, les résultats de STOKES sont combinés avec l'outil de ray-tracing relativiste KY. Au cours de notre modélisation, nous escomptons obtenir une image beaucoup plus détaillée de la géométrie et de la dynamique proche d'un un trou noir supermassif accrétant. Quelques-uns de nos résultats s'appliquent également à des classes d'objets avoisinantes, telles que les trous noirs galactiques présumés dans des binaires-X.
Résultats : Nous avons complété le calcul d'une grille de modèles de polarisation des AGN pour les bandes spectrales du visible et de l'ultraviolet. A l'aide des observations de multiples AGN publiées dans la littérature, cette grille nous a permis de déterminer des contraintes importantes sur l'opacité des flots d'accrétion et d'éjection présumés dans les galaxies de type Seyfert. 
De suite, il a été montré que nos modèles décrivent de façon satisfaisante la polarisation observée dans le domaine spectral du visible et de l'ultraviolet. Plus concrètement, il a été possible de reproduire correctement l'angle et le dégrée de polarisation des AGN en fonction de leur classification en type-1 et en type-2.
A part la modélisation du rayonnement continu, nous avons entamé une étude du profil spectral et de la polarisation des raies larges des AGN dans le domaine spectral du visible. En appliquant une géométrie d'irradiation asymétrique nous arrivons à reproduire les données de spectro-polarimétrie observées. Si confirmé, les implications de notre modèle sont importantes pour la compréhension des disques d'accrétion dont nous commençons à sonder dans la structure sous-orbitale (illustration 1).
Dans le domaine spectral des rayons X, nos résultats s'insèrent dans le contexte d'un débat important sur l'implication des effets relativistes dans la formation des raies larges Ka du fer qui sont observées dans les spectres X des AGN. Nous avons démontré qu'une observation de polarimétrie des rayons X pourrait déterminer laquelle des deux interprétations proposées est correcte : si la raie est produite grâce aux effets relativistes le signal de polarisation est important et présente une dépendance de l'angle de la polarisation en fonction de l'énergie du photon. Par contre, si la raie est due à un phénomène d'absorption dans un vent polaire, la polarisation X reste faible et présente un angle de polarisation constant (illustration 2).
Perspectives : Nous sommes en train d'étendre la modélisation de la polarisation des AGN dans les bandes IR/visible/UV en y incluant des scénarios plus complexes aux géométries non-symétriques. Pour la gamme des rayons X, des modèles plus détaillés de la polarisation émanant d'un disque d'accrétion irradié sont poursuivis. Dans le même contexte, nous modélisons des géométries de vents suggérées par les simulations hydrodynamiques des flot d'accrétion et d'éjection. La phase de comparaison de nos modèles aux observations continuera, entre autre à l'aide d'observations de spectropolarimétrie qui sont prises au Very Large Telescope de l'ESO et des archives de l'observatoire de rayons X XMM-Newton de l'ESA.
Publications et brevets : Publications dans des revues internationales avec comité de lecture :
- Marin, F., Goosmann, R. W., Gaskell, C. M., Porquet, D., Dovciak, M., 2012, Astronomy & Astrophysics, 548A, 121
- Gaskell C. M., Goosmann, R. W., Astrophysical Journal 769, 30
- Marin, F., Goosmann, R. W., Dovciak, M., Muleri, F., Porquet, D., Grosso, N., Karas, V, Matt, G., 2012, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society Letters, Volume 426, Issue 1, pp. L101-L105
- Marin, F., Porquet, D., Goosmann, R. W., Dovciak, M., Muleri, F., Grosso, N., Karas, V., Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, Volume 436, Issue 2, p.1615-1620
- Marin, F. & Goosmann, R. W., Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, Volume 436, Issue 3, p.2522-2534
- Marin, F., Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, Volume 441, Issue 1, p.551-564 
Actes de conférences internationales avec comité de lecture :
- Marin, F., Tamborra, F., Volume 54, Issue 7, p. 1458-1466
- Goosmann, R. W., Gaskell, C. M., Marin, F., 2013, Advances in Space Research, Volume 54, Issue 7, p. 1341-1346
Actes de conférences nationales sans comité de lecture :
- Marin, F.; Goosmann, R. W., 2012, Proceedings of the Annual meeting of the French Society of Astronomy and Astrophysics, pp.587-590
- Marin, F.; Goosmann, R. W., 2013, Proceedings of the Annual meeting of the French Society of Astronomy and Astrophysics, pp.475-478
- Marin, F.; Goosmann, R. W., 2013, Proceedings of the Annual meeting of the French Society of Astronomy and Astrophysics, pp.479-482
- Marin, F.; Goosmann, R. W., 2014, Proceedings of the Annual meeting of the French Society of Astronomy and Astrophysics, in press
Nous avons également mis en ligne une nouvelle version 1.2 du code STOKES libre d'accès pour la communauté scientifique.