Imaging the protoplanetary environment of young stars by optical interferometry
Imagerie de l'environnement protoplanétaire des étoiles jeunes par interférométrie optique
Résumé
An effective way to understand the formation of planets is the study of protoplanetary disks. The
first images of these disks were obtained in the infrared and the millimeter in the 80s. These images unveiled
for the first time the morphology of the infrared excess seen in the spectral energy distributions of young stellar
objects. Since then, significant progress has been made and, in addition to the direct detection of planets, we
are able to distinguish the disruption they could cause in these disks. The inner region of these disks, where the
majority of planets are found, is complex as being the scene of many phenomena still poorly constrained (dust
sublimation, winds, accretion). For the closest young stars, observing these regions amounts to achieve an angular
resolution of the order of a milliarcsecond, unattainable with monolithic telescopes. The optical interferometry
can reach such a small angle. This technique consists in combining the light of two or more telescopes to make it
interfere. These interferences can be used to constrain the morphology of the observed object by using models.
But to understand the phenomena involved in the inner parts of young stellar objects, it is necessary to have an
independent image. Image reconstruction is possible with the recent advent of interferometers with 4 or more
telescopes. The first images were able to be rebuilt. However, the central star does not allow easy access to the
environment morphology. The goal of my thesis was to bypass this difficulty by developing a method of image
reconstruction which is adapted to the protoplanetary environment of young stars. It consists in separating the
central star of the image to reconstruct its environment while taking into account the temperature di↵erence
between the two. With this method and the VLTI interferometric instruments, I reconstructed the images of the
first astronomical unit of a dozen of Herbig stars and revealed their morphologies. I was able to apply a novel
geometric analysis to characterize them. Finally, I have analyzed in more detail a particular star, MWC158,
which I imaged the variability that could be interpreted as a matter ejection. My thesis demonstrates the
importance of the inclusion of chromatic aspects in image reconstruction and adaptation of this method to the
specific characteristics of young stars.
Une manière efficace de contraindre la formation des planètes est l’étude des disques protoplanétaires.
Les premières images de ces disques ont été obtenues dans les années 80 en infrarouge et en millimétrique.
Ces images dévoilaient pour la première fois la morphologie de l’excès infrarouge vu dans les distributions spectrales
d’´energies des étoiles jeunes. Depuis, de nets progrès ont été faits et, outre la détection directe de planètes,
nous sommes capables de distinguer les perturbations que celles-ci pourraient engendrer dans ces disques. La
région interne de ces disques, où la majorité des planètes sont détectées, est complexe car étant le théâtre de
nombreux phénomènes encore mal contraints (sublimation de la poussière, vents, accrétion). Pour les étoiles
jeunes les plus proches, observer ces régions revient à atteindre une résolution angulaire de l’ordre de la milliseconde
d’arc, inatteignable avec un télescope monolithique. L’interférométrie optique permet de satisfaire cette
contrainte. Cette technique consiste à combiner la lumière de deux télescopes ou plus afin de la faire interférer.
Ces interférences permettent de contraindre la morphologie de l’objet observé à l’aide de modèles. Mais
afin de comprendre les phénomènes en jeu il est nécessaire d’avoir une image indépendante de ces modèles. La
reconstruction d’images est possible avec l’avènement récent d’interféromètres à 4 télescopes ou plus. Les premières
images ont ainsi pu être reconstruites. Cependant, l’étoile centrale ne permet pas d’accéder facilement à
l’image de l’environnement. Ma thèse a donc consisté à outrepasser cette difficulté en développant une méthode
de reconstruction d’image adaptée à l’environnement protoplanétaire des étoiles jeunes. Elle consiste à séparer
l’étoile centrale de l’image afin de reconstruire son environnement tout en prenant en compte la différence de
température entre ces deux éléments. Grâce à cette méthode et aux instruments interférométriques du VLTI, j’ai
pu reconstruire les images des premières unités astronomiques d’une douzaine d’étoiles de Herbig et de révéler
leurs morphologies. J’ai ainsi pu appliquer une analyse géométrique originale afin de les caractériser. Enfin, j’ai
analysé plus en détail un étoile particulière, MWC158, dont j’ai imagé la variabilité qui pourrait être interprétée
comme une éjection de matière. Ma thèse démontre l’importance de la prise en compte des aspects chromatiques
dans la reconstruction d’image ainsi que de l’adaptation de cette méthode à la spécificité des étoiles jeunes.
