Distances de Céphéides à haute précision grâce à l'interférométrie optique et Gaia DR4 // High accuracy distances of Cepheids from optical interferometry and Gaia DR4

Grâce à leur relation période-luminosité (PL, loi de Leavitt) qui en fait des chandelles standard très précises pour les mesures de distance, les Céphéides classiques sont l'épine dorsale de l'échelle empirique des distances extragalactiques. Pour cette raison, elles jouent un rôle clé dans la tension actuelle entre la constante de Hubble H0 de l'échelle de distance Céphéide-SN Ia (73,0 ± 1,0 km/s/Mpc ; Riess et al. 2022) et la prédiction du modèle ΛCDM basé sur les données CMB de Planck (67,4 ± 0,5 km/s/Mpc ; Planck collab. 2018).

Comme il s'agit d'étoiles relativement massives, la majorité des Céphéides sont membres de systèmes stellaires binaires ou multiples. La présence de compagnons affecte leur astrométrie en raison du mouvement orbital ainsi que leur photométrie, en raison de la contribution du flux des étoiles secondaires. De plus, la luminosité et la couleur d'une Céphéide varient au cours de son cycle de pulsation, ce qui modifie la position du photocentre des binaires non résolues en fonction du temps.

Les observations des Céphéides par interférométrie optique ont déjà donné des mesures précises des paramètres orbitaux, des masses et des distances de plusieurs systèmes (Gallenne et al. 2025). La première partie de la thèse se concentrera sur l'observation et l'analyse des systèmes de Céphéides de la Voie Lactée en utilisant l'interférométrie à longue base avec le VLTI et CHARA.

La quatrième publication de données Gaia (Gaia DR4) est attendue pour le second semestre 2026, avec des mesures améliorées pour plusieurs centaines de Céphéides de notre galaxie (Clementini 2024). La grande nouveauté de la DR4 est qu'elle inclura des mesures astrométriques, photométriques et spectroscopiques individuelles collectées au cours de ses 5,5 premières années d'exploitation (juillet 2014 - janvier 2020). Typiquement, plus d'une centaine de mesures seront disponibles pour chaque étoile. En raison de leur très grande variabilité intrinsèque de luminosité, de couleur et de flux ainsi que de leur binarité, les parallaxes Gaia des Céphéides ont une dispersion globalement plus élevée que celles des étoiles comparables non variable. La qualité de l'étalonnage de la relation PL des Céphéides MW en utilisant les distances Gaia n'est donc pas optimale.

La deuxième partie du sujet de thèse proposé portera sur une analyse fine de l'astrométrie par époque de la DR4 de Gaia pour un échantillon d'environ 100 Céphéides avec l'objectif de caractériser les systèmes binaires et de déterminer des parallaxes non biaisées et de haute précision. Cette analyse comprendra par exemple la modélisation de l'effet de la variabilité de la couleur et du flux sur l'astrométrie des Céphéides (pour les étoiles simples et les systèmes binaires). Pour ce travail, les données Gaia (astrométrie, photométrie et vitesse radiale) seront complétées par d'autres mesures existantes ainsi que par de nouvelles observations.

Cette thèse se déroulera dans le cadre de la collaboration internationale Araucaria, qui comprend des chercheurs français, polonais et chiliens.

La thèse se déroulera principalement au Laboratoire Franco-Chilien d'Astronomie (https://www.fcla.cl), un laboratoire international du CNRS conjoint avec trois grandes universités chiliennes, sur le site de l'Observatoire de Cerro Calan de l'Université du Chili à Santiago du Chili.
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Thanks to their tight Period-Luminosity relation (PL, the Leavitt law) that make then accurate standard candles for distance measurements, classical Cepheids are the backbone of the empirical extragalactic distance scale. For this reason, they play a key role in the present tension between the Hubble constant H0 from the Cepheid-SN Ia distance scale (73.0 ± 1.0 km/s/Mpc; Riess et al. 2022) and the prediction of the ΛCDM model based on the Planck CMB data (67.4 ± 0.5 km/s/Mpc; Planck collab. 2018).

As they are relatively massive stars, the majority of Cepheids are members of binary or multiple stellar systems. The presence of stellar companions affects their astrometry due to the orbital motion and their photometry, due to the flux contribution from the companion stars. Moreover, as a Cepheid's brightness and color vary over its pulsation cycle, therefore changing the position of the photocenter of unresolved binaries with time.

Observations of Milky Way (MW) Cepheids using long-baseline optical interferometry have already provided accurate measurements of the orbital parameters, masses and distances of several Cepheid systems (see e.g., Gallenne et al. 2025, A&A, 693, A111). The first part of the proposed thesis work will be focused on the observation and analysis of MW Cepheid systems using long-baseline interferometry with the VLTI and CHARA interferometers.

The fourth Gaia data release (Gaia DR4) is expected in the second half of 2026, with improved measurements for several hundred MW Cepheids (Clementini 2024). A major novelty of the DR4 is that it will include individual astrometric, photometric and spectroscopic measurements collected by the spacecraft over its first 5.5 years of operation (July 2014 - January 2020). Typically, more than one hundred measurements will be available for each star. Due to their very high intrinsic brightness, color and flux variability and binarity, the Gaia parallaxes of Cepheids generally have a lower accuracy than those of comparable, non-variable field stars. The quality of the calibration of the PL relation of MW Cepheids using Gaia distances is therefore not optimal.

The second part of the proposed thesis subject will be a refined analysis of the Gaia DR4 epoch astrometry of a selected sample of ~100 Cepheids with the objective to characterize the binary systems and determine unbiased, high accuracy parallaxes. This analysis will include e.g., the modeling of the effect of color and flux variability on the Cepheid astrometry (for single stars and binary systems). For this work, the Gaia data (that comprises astrometry, photometry and radial velocity) will be complemented with additional existing measurements as well as new observations.

This PhD thesis will take place within the international Araucaria collaboration, that includes researchers from France, Poland and Chile.

Most of the thesis will take place at Cerro Calan observatory of the Universidad de Chile, in Santiago de Chile, at the international French-Chilean CNRS laboratory FCLA (https://www.fcla.cl). The IRL FCLA is a partnership between the CNRS and three major Chilean universities.
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Début de la thèse : 01/10/2025
WEB : https://araucaria.camk.edu.pl

Autre financement ou appel à projet

Observatoire de Paris

127 Astronomie et Astrophysique d'Ile de France

Nous recherchons un(e) étudiant(e) motivée par l'analyse de données. Une expérience en programmation (langage python) et en traitement de données est souhaitable. Il est à noter qu'une partie importante de la thèse se déroulera au Chili (octobre 2025 à mars 2028) dans le cadre du laboratoire international IRL FCLA du CNRS (https://www.fcla.cl).
We are looking for a student motivated by data analysis and interpretation. An experience in programming (python language) and data analysis is desirable. A significant fraction of the thesis will take place in Chile (October 2025 - March 2028), in the framework of the international CNRS laboratory FCLA (https://www.fcla.cl).