CVs : Accrétion
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Variables Cataclysmiques : Accrétion - Ejection AIM / 5 Avril 2006 J.M. Bonnet-Bidaud 1 CVs : Accrétion - Ejection Objets compacts : Facteurs d’échelle Gravité ~ 1/R2 Etoiles à neutrons Champ magnétique Conservation flux magnétique BR2=cste > B~ 1/R2 Naines blanches Relation linéaire Dispersion = génération/diffusion Etoiles 0.1-104 Etoiles = G 4 8 NB = 10 -10 G (10kG-100MG) EN = 109-1014 G Soleil Terre AIM / 5 Avril 2006 J.M. Bonnet-Bidaud 2 CVs : Accrétion - Ejection CVs = naine blanche (NB) en système binaire Si évolution jointe des 2 étoiles (non capture), le temps d’évolution pour la formation de la NB impose : -> systèmes les + probables : NB + compagnon faible masse (0.1-0.8Mo) P orbitales typiques = (1-10) h pour accrétion (RLO) Taille Orbite = a = 1010-1011 cm Abondance : 10-6 pc3 dans la Galaxie, systèmes proches (100pc-1Kpc), visibles mv=12-18 Caractéristiques de l’accrétion : Naine blanche (NB) vs Etoiles à neutrons (EN) / Trous noirs(TN) Luminosité Lx 1 GM 2 Mdot .V ff Mdot 2 R Lx Température T bb 4 .R 2 B Efficacité h Lx GM Mdot .c 2 R.c 2 1 4 (thermalisée BB) Taux d’accrétion typique (étoile faible masse/RLO) => Mdot = 10-10-10-8 Mo/an = 6 1015 – 6 1017 g/s NB EN TN M (Mo) R (km) Lx(erg/s) h T(therm) 1 10 000 10 33-35 10-4 10 eV AIM / 5 Avril 2006 1 10 1036-38 10-1 1 keV 1 3 10 36-38 ~1 > 1 keV J.M. Bonnet-Bidaud 3 CVs : Accrétion - Ejection Accrétion : Naine blanche (NB) vs Etoiles à neutrons (EN) Géométrie de l’accrétion : pour une même masse centrale (1Mo), la matière « voit » le même potentiel CVs parfaites analogues des LMXB (Low Mass X-ray Binaries) Près de l’objet compact : B(rm) 2 1 -Facteur dominant : champ magnétique de l’objet compact (r ).v ff (r ) 2 8 2 -Capture au rayon « magnétosphérique » Rm -Rm / pression magnétique = pression dynamique du gaz (accrétion sphérique) 4 7 2 1 Mdot M 7 Rm 3000km.( 30 ) ( 17 ) 7 .( ) 10 10 Mo Naine Blanche NB Non-magnétique Magnétique B Rm 104 1031 109 107 1034 5 1010 AIM / 5 Avril 2006 avec moment magnétique B* R* 3 ).( ) 107 G 109 1034.( Etoile à neutrons EN Non-magnétique Magnétique B Rm J.M. Bonnet-Bidaud 109 1027 5 106 1012 1030 108 4 CVs : Accrétion - Ejection Naine blanche Lx=1033-35 erg/s « Polars » magnétique CV B=107 G, = 1034, « Normal » non-magnétique CV B=104 G, = 1031, rm~ RNB rm~ a Etoiles à neutrons Lx=1036-38 erg/s Pulsar accrétant « LMXB » binaire X faible masse B=1012 G, = 1030, rm~ (100-1000) RNS<< a AIM / 5 Avril 2006 B=109 G, = 1027, rm~ (1-10) RNS J.M. Bonnet-Bidaud 5 CVs : Accrétion - Ejection CV types Non-magnétique B< (0.1-1) MG Couche limite EUV IPs (polaires intermédiaires) B= (1-10) MG Non-synchronisées Pspin<<Porb Colonne (rayons X) Polaires B= (10-100) MG Synchronisées (freinage magnétique) Pspin=Porb Colonne (rayons X) AIM / 5 Avril 2006 J.M. Bonnet-Bidaud 6 CVs : Accrétion - Ejection Naine blanche magnétique (Polars) > colonne d’accrétion Choc au dessus de la surface Energie cinétique convertie dans le choc Rayonnements (post-choc) -Bremsstrahlung (Tsh) > rayons X durs (keV) -Cyclotron > IR-optique -Effet de chauffage > EUX – X mous (eV) Colonne = milieu optiquement mince Grandeurs typiques h ~ 108cm (1000km) A= 1016cm (f=10-3=0.1%) Tsh 3 .mH k v ff Tsh 32.4.keV .( AIM / 5 Avril 2006 2 3 .mH GM wd 8 k Rwd M R ).( 9 ) 1 Mo 10 J.M. Bonnet-Bidaud Choc fort discontinuité vff > vff/4 ( poids mol. moyen =0.615 solaire) X-durs 7 CVs : Accrétion - Ejection CVs magnétiques : spectre Rayonnements concurrents : freinage vs cyclotron -accrétion, densité fortes -> rayt freinage (X-durs) -champ fort -> cyclotron (IR-optique) IP = rayonnement de freinage seul (champ plus faible) Lamb & Masters. (1979) B= 2 107G Lx=1032-1034erg/s AM Herculis : Rothschild et al. (1979) Débat : rapport Lxmous/Lxdur+Lcyc ~1 attendu AIM / 5 Avril 2006 J.M. Bonnet-Bidaud 8 CVs : Accrétion - Ejection CVs : INTEGRAL sources INTEGRAL 2nd catalogue, Bird et al. (2006) ApJ 636, 765 209 sources 8 CVs confirmées 8 CVs confirmées (E> 20keV) = 4% -1 DN non magnétique (SS Cygni) -1 Polar (RX1940*) -6 IPs (V1223 Sgr, V2400 Aql, V709Cas, RX1548, RX1730*, RX2133*) *Découvertes à hautes énergies par INTEGRAL •Nouvelle population CVs = 105-106 sources dans la Galaxie La plupart sont des IPs B faible : Bremsstrahlung >> Cyclotron sous estimation précédente de la température - par les observations à plus basse énergie (XMM) -par les modèles à température uniforme -gradient de température dans la colonne (température élevée sous le choc) New IGR sources AIM / 5 Avril 2006 J.M. Bonnet-Bidaud 9 CVs : Accrétion - Ejection V709 Cas / INTEGRAL Falanga, Bonnet-Bidaud et Souleimanov (2005) A&A, 444, p.561 Source détectée près du pulsar milliseconde IP (Pspin= 312 s / Porb= 5.34 h) Détectée jusqu’à 100 keV JEM-X + ISGRI Ajustement spectral : Plasma émission (mekal / continu+raies) -si température uniforme T=25 keV -si multi-température Tmax=42 keV Tsh ~ ( M R ).( 9 ) 1 Mo 10 Mesure de la masse (NB relation M-R) T=42keV M=0.86Mo Si M=1.2Mo T=100 keV !! Sources plus hautes énergies attendues AIM / 5 Avril 2006 J.M. Bonnet-Bidaud 10 CVs : Accrétion - Ejection Abondances CNO Rapports de rapport de raies « anormaux » : raies d’émission formées par photoionisation découverte (Bonnet-Bidaud & Mouchet 1987 A&A188, p.89 ) polaire BY Cam AM Her (Hopkins UT Navette) BY Cam data FUSE 2003 + IUE (1985) Orgine ? - condition d’ionisation vs abondances Test avec un modèle réaliste de colonne + code photo-ionisation abondances Nx25, C/8, O/2 (Mouchet, Bonnet-Bidaud et al. 2003 A&A401, p.1071 ) explosion de nova ??? AIM / 5 Avril 2006 J.M. Bonnet-Bidaud 11 The accretion column Dipole accretion : column section free-fall density accretion rate M,R = white dwarf A = Acap (r/R)3 cm2 V = 5.2 108 (M)0.5. (R )-0.5.(r/R) -0.5 cm/s n = 1.2 1015 Mdot. (Acap) -1.(M)-0.5. (R )0..5.(r/R) -2.5 cm –3 Mdot = 7.5 10 16 (M) –1 (R ) (Lx/1034) g/s dz dy dx Slab section dx / n(x+dx) = n(x)/4 assumed homogeneous dy = dz = Acap. (x) 3/2 assumed Acap = 10 16 cm2 direct sideways illumination across slabs CLOUDY code (v.96) Mouchet, Bonnet-Bidaud et al. 2003 A&A401, p.1071 AIM / 5 Avril 2006 J.M. Bonnet-Bidaud 12 CVs : Accrétion - Ejection Abondances Bonnet-Bidaud & Mouchet (2003) IAU Coll. 190 AIM / 5 Avril 2006 J.M. Bonnet-Bidaud 13 CVs : Accrétion - Ejection Oscillations QPOs : Polars découverte Middleditch (1982) 5 polaires : AN UMa, V834 CEn, EF Eri, VV Pup et BL Hyi ULTRACAM 3-canaux simultanés 3 (1024x1024 CCDs) 0.001 s expositions avec temps mort négligeable (0.0001 s) (Instrument Visiteur : Univ Sheffield UK) AIM / 5 Avril 2006 VLT (May 2005): VV Pup QPO = 1.5 sec Fraction flux optique faible : 1-3% Oscillation hauteur du choc Langer et al. (1982) PQPO M wd Acap . Rwd Mdot Problème : conditions d’excitation des QPOs? amortissement cyclotron Non détecté en rayons X ? J.M. Bonnet-Bidaud 14 CVs : Accrétion - Ejection Ejection -Novae > Réactions nucléaires explosives à la surface de NB -fréquence observée 4/an (réel 40-80 /an) -récurrence ~1000 ans Dm = 6-13 mag Ledd=(2-4) 104 Lo -Perte de masse (~sphérique) (1-30) 10-5Mo Rotation -« Propeller effect » : effet hélice -rayon de co-rotation (Rco) vs rayon « magnétosphérique » Rm (capture) Rco (GM1 / spin )1/ 3 2 R=Rco VKepler = Vrot V VKepler Vrotation Rm Rm < Rco Vkepler >> Vrot : accrétion Rm > Rco Vkepler << Vrot : éjection centrifuge éjection accrétion Rco Rm < Rco AIM / 5 Avril 2006 J.M. Bonnet-Bidaud Rm > Rco R 15 CVs : Accrétion - Ejection AE Aquarii Porb = 9.88hr compagnon K4-K5 (M=0.6Mo) évolué pour R* > RLO Pspin = 33 sec « rotateur rapide » Rco = 1.5 109cm vs Rm= 1.3 1010cm (sphérique) : Rm >> Rco accrétion inhibée éjection Ralentissement Pdot= + 5.6 1014 s/s > Lrot = 6 x1033 erg/s Polarisation B~1 MG > IP (polaire intermédiaire) Faible fraction accrétée Lx = 1031 erg/s (température superposition T= 0.1 à 4.5 keV XMM ) Explosions radio Lrad= 1029(d/100pc) erg/s, visible-rayons X (facteur 10), TeV source ? orbite Modèle : collisions de paquets de plasma Accélération par « pompage magnétique » AIM / 5 Avril 2006 Wynn et al. MN 286, 436 (1997) J.M. Bonnet-Bidaud 16 CVs : Accrétion - Ejection AE Aqr - FUSE (Far UV) Mouchet, Bonnet-Bidaud et al. (2004) IAU Col. 190 Vitesses radiales des raies de haute excitation Origine : plasma au passage proche de la NB 0.6 orbite Wynn et al. (1997) AIM / 5 Avril 2006 J.M. Bonnet-Bidaud 17 CVs : Accrétion - Ejection Etoiles Symbiotiques Parents proches des CVs Modèle actuel : système binaire : compagnon géante rouge ( type M) + Naine blanche (système semi-détaché, accrétion par vent (pulsation étoile M ?) Ex : CH Cygni (M5-M7 géante) Orbite = 760 jours ou 5500 jours (triple system ?) Raies d’émission indiquent éjection avec une vitesse projetée de V ~ 500-1000 (d/200pc) km/s Source radio étendue et collimatée (VLA/MERLIN) > précession d’un jet radio période 6519 jours, angle précession 35° Crocker et al. (2002) AIM / 5 Avril 2006 J.M. Bonnet-Bidaud 18 CVs : Accrétion - Ejection Bilan CVs : sources X plus faibles que les sources binaires X à étoiles à neutrons/trous noirs mais beaucoup plus nombreuses !! Sources de hautes énergies (E>20keV) pour les CVs magnétiques > fraction non-négligeable du fond diffus galactique ? Systèmes proches facilement observables toutes longueurs d’onde Laboratoire cosmique idéaux pour -étude de l’interaction « accrétion-champ magnétique » -mécanisme de production d’énergie en champs forts -mécanisme d’éjection par interaction magnétique AIM / 5 Avril 2006 J.M. Bonnet-Bidaud 19 CVs : Accrétion - Ejection Références Brian Warner (1995): “Cataclysmic Variable Stars” (Cambridge University Press, 1995, ISBN: 0521412315) Coel Hellier (2001): “CVs - How and Why They Vary” (Praxis Publishing, 2001, ISBN: 1852332115) Frank, King & Raine (2002), Accretion Power in Astrophysics (Cambridge University Press, 2002, 3rd edition) North American Workshops on Cataclysmic Variables Magnetic Cataclysmic Variable Workshops -IAU Colloqium 190 (2004) (Astron. Soc. Pacific Conf. Ser., 2004, vol. 315) AIM / 5 Avril 2006 J.M. Bonnet-Bidaud 20 CVs : Accrétion - Ejection CVs Variabilité Diapo 15 cropper + variabilité diagram Cataclysmic Variables (non-magnetic) – Novae large eruptions 6–9 magnitudes – Recurrent Novae previous novae seen to repeat – Dwarf Novae regular outbursts 2–5 magnitudes › SU UMa stars › Z Cam stars › U Gem stars occasional Superoutbursts show protracted standstills all other DN – Nova-like variables › VY Scl stars show occasional drops in brightness › UX UMa stars all other non-eruptive variables Cataclysmic Variables (non-magnetic) - Intermediate Polars/DQ Her stars - Polars/AM Her stars AIM / 5 Avril 2006 J.M. Bonnet-Bidaud 21 CVs : Accrétion - Ejection AIM / 5 Avril 2006 J.M. Bonnet-Bidaud 22
