Collège de France , 14 décembre 2015
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Mécanismes Mécan smes d d’éjection éject on et émission ém ss on de haute énergie dans les quasars G. Henri Professeur à l Professeur à l’Université Université Joseph Fourier ( Joseph Fourier (‐> 31/12/2015 !) 31/12/2015 !) Future Université Grenoble Alpes Institut de Planétologie et d’Astrophysique de Grenoble Collège de France , 14 décembre 2015 Collège de France, 14 décembre 2015 Noyaux actifs de Galaxie Trous noirs supermassifs 106- 1010 M sol L~ 1010 à 1014 Lsolaires (1O-3 à 1 luminosité d’Eddington) g ) Environnement complexe : Disque Di d’ d’accrétion, éti ttore de poussières, jets ~ 10 % NAG sont radio-louds , émission non thermique intense : radio ->> gammas de très haute énergie (10 TeV) Collège de France, 14 décembre 2015 Objets radio Environ ~10 % des galaxies actives R di galaxies Radio l i s: Crédit NRAO Fanaroff Riley (FR) I (M84) Collège de France, 14 décembre 2015 FR II (Cygnus A) Objets radio Quasars (objets quasi-stellaires) : BL Lacs: Pas ou peu d’émission de disque et de raies Radio quasars : Emission du disque d’accrétion intense, raies d’émission optiques p q 3C 273 Collège de France, 14 décembre 2015 Jets relativistes 3C 279 Observations VLBI révèlent des vitesses apparemment superluminiques, typiquement de 5 à 10 c (-> 40 c) Vapp < b c -> contraint b ~ 10 Lister et al AJ, 2013 Collège de France, 14 décembre 2015 Jets relativistes Vitesse superluminique ~ effet Doppler (variation du temps de trajet jusqu’à l’observateur) dl app dl = v dt dl // = v dt cos dtapp dt dl v // dt(1 dt(1 cos ) c c dl // dl app = v dt sin i max = app pp sin 1 cos 1 Collège de France, 14 décembre 2015 = 0.95 = 0.71 = 0.5 Facteur Doppler Valeur max Temps : tobs = t/ Fréquences : obs = Intensités : I obs = I * (3+) Emission par le jet amplifiée, variabilité plus rapide, focalisée é dans un cône ô d’angle Contre jet « désamplifié » par 1/ Collège de France, 14 décembre 2015 Le spectre électromagnétique E 1 µeV 1m 1 eV 1 m 1 meV 1 mm Radio g infra rouge 1 keV 1 nm UV rayons y X 1 MeV 1 pm 1GeV 1 fm rayons y gammas g visible (0,8 - 0,4 m) Herschel radiotélescopes HST Télescopes p optiques Collège de France, 14 décembre 2015 XMM INTEGRAL Fermi Télescopes p Tcherenkov Emission de haute énergie Lancement des satellites gamma (CGRO, AGILE, Fermi ..) -> observation gamma ( 0,1 MeV à 300 GeV ) Compton Gamma Ray observatory (1990) Collège de France, 14 décembre 2015 Fermi (2008) 5 années d’observations par Fermi Collège de France, 14 décembre 2015 Télescopes Tcherenkov atmosphériques Site de H.E.S.S (Namibie ) Collège de France, 14 décembre 2015 Collège de France, 14 décembre 2015 Spectres p non thermiques q 3C279 (Hayashida et al.2015) Basse énergie g : radio -optopt p -UV Haute énergie : XX- (GeV) (GeV) Radio q quasars (raies optiques, disque d’accrétion) Collège de France, 14 décembre 2015 Mrk 501 (Acciari et al. 2011) Basse énergie : radio optopt-X Haute énergie : ((-> TeV) BL Lacs ((raies faibles ou absentes) Un objet spectaculaire au TeV : PKS 2155 - 304 Emission très intense et rapidement variable … forte contrainte sur le mouvement relativiste de la source ( > 30 ?) Collège de France, 14 décembre 2015 Processus radiatifs : émission synchrotron Électrons relativistes (v (v~c) c) dans un champ magnétique Émission synchrotron -> radio jusqu’à X durs Log(F) Log(dN/dE) E-p Particules =(p-1)/2 Log(E) Rayonnement Log() Distribution en énergie en loi de puissance (non thermique) -> spectre en loi de puissance Processus radiatifs : émission Compton Inverse h Électrons relativistes (v (v~c c, grand ) + photons de basse énergie (optiques ou synchrotron) 2h e- relativiste (E = mc2) Émission Compton inverse -> X à gammas (TeV) Sources de photons : * synchrotron (processus Synchrotron Self Compton ou SSC) * photons du d disque sque d’accrétion, d accrét on, tore, raies ra es d’émission… (processus Compton externe) Collège de France, 14 décembre 2015 Création de paires e+/ePhotons gammas absorbés par des photons de basse énergie g si E > mc2=511 keV (efficacité maximale si E2~ (mc2)2/E1 E2 E1 e+ e- Photons à ~ 1 TeV -> absorbés par photons de 1 eV (Infrarouge) Photons à ~ 100 GeV ->> absorbés par photons de 10 eV (UV) -> Photons ne p peuvent pas p sortir d’une source trop p lumineuse et trop compacte -> Problème de l’absorption interne -> amplification relativiste l ti ist né nécessaire ss i (grand ( nd facteur f t d de L Lorentz) nt ) -> densité moins grande dans le référentiel en mouvement Collège de France, 14 décembre 2015 Conclusions • L’émission gamma ne peut provenir que du jet relativiste avec un grand facteur de Lorentz • Si il existe un champ de photons ~isotrope (cas des quasars), elle doit avoir lieu assez loin de la source) • Contraintes parfois difficiles à concilier avec une grande variabilité • Parfois également incompatible avec de faibles vitesses superluminiques observées en radio (BL Lacs) • Il existe aussi une absorption extragalactique limitant la visibilité de ces objets au TeV (horizon ) Collège de France, 14 décembre 2015 Accélération de Fermi 1er ordre Rebond avec gain d’énergie Rebond avec perte d’énergie Turbulence magnétique quand V2 V choc V1 V Collège de France, 14 décembre 2015 Distribution en énergie en « loi de puissance » (non thermique) Accélération de Fermi 2nd ordre Turbulence urbulence magnétique magnét que diffuse d ffuse Distribution en énergie en « maxwellienne relativiste » Collège de France, 14 décembre 2015 Reconnexion magnétique Forbes,, Nature Physics, y , 2013 Collège de France, 14 décembre 2015 Quelques questions ouvertes : • Mécanisme d’éjection des jets relativistes • Nature des particules énergétiques : leptons (e- ou e+/e-) Ou protons? • Mécanisme de rayonnement ? • Sites d’accélération ? • Mécanisme d’accélération ? • Origine de la variabilité ? Collège de France, 14 décembre 2015 Modèle « standard » leptonique (e-) Approximation une zone : leptons + B remplissant une zone sphérique homogène Bosse à basse énergie: Rayonnement synchrotron e +B B B Bosse à haute B h énergie: é i Inverse Compton e + h h Ph t Photons provenantt de d by b : - synchrotron ( SSC) - champs externes: disque, raies optiques, tore de poussiere (IR) + absorption secondaire par création de paires Collège de France, 14 décembre 2015 Alternative : modèles « hadroniques » ( (protons t relativistes) l ti i t ) Supposent l’l’injection de protons (cosmiques) de très haute énergie (PeV, ~ 107 – 108 ) Interaction par collisions pp-p, pp-photons ou ou pp-B (synchrotron, électromagnétique) Production secondaire particules π : π0 -> 2 , π± -> µ± -> e± Mélange g de processus p complexes, p demande des simulations lourdes Monte Carlo : peu de comparaisons détaillées avec des données . Modèles « Mixtes » possibles, mais la composante hadronique n n’’est pas dominante (Cerruti et al. 2012) Collège de France, 14 décembre 2015 Comparaison leptonique/hadronique(Bӧttcher, Reimer et al. 2013) Red = Leptonic G Green = Hadronic d Accretion Disk A Accretion ti Di Disk k External Compton of direct accretion disk photons (ECD) Synchrotron selfCompton (SSC) Synchrotron Electron synchrotron h t Proton synchrotron Collège de France, 14 décembre 2015 External Compton of emission from BLR clouds (ECC) Formation des jets :Blandford contre Blandford •Mecanisme Blandford Znajek (1977) Rotation rapide p d’un trou noir magnétisé - exige un horizon (ergosphère ) (≠ étoile à neutrons ) -Produit une ejection dominée par le flux de Poynting sur l’axe et un flux faiblement relativiste à grand angle De Villiers, Hawley, Krolik 2005 - Mécanisme Blandford & Payne (1982) - disque q d’accrétion magnétisé g (BH, ( NS, YSO…)) - Ne peut produire que des jets faiblement relativistes, mais bien collimatés z Zanni, PhD thesis Version « MAD » (magnetically arrested disk) , Tchekhovskoy et al… x Collège de France, 14 décembre 2015 Quelques problèmes pour le modèle BZ (trou noir en rotation rapide) p ) • Ne marche qu’avec un trou noir (ergosphère) : quid des jets autour des d é étoiles l jeunes et d des étoiles é l à neutrons ? • Collimation des jets relativistes difficile • Trous noirs T i en rotation i rapide id mesurés é pour des d objets sans jets puissants (Galaxies de Seyferts) • Différents états des « microquasars », avec ou sans jet, pour la même rotation du trou noir ! • Problème du « Compton drag » Collège de France, 14 décembre 2015 Photo credits: NASA. Problème du « Compton drag » ((freinage g Compton) p ) Emission Compton inverse : diffusion des photons par des e- relativistes Source statique + photons isotropes Source en mouvement (référentiel de l’observateur)) Source en mouvementt (référentiel de la source ) Déplacement relativiste-> force de freinage très forte « Mélasse optique »… » Collège de France, 14 décembre 2015 Freinage ou « fusée » Compton ? Emission Compton inverse sur un champ de photons anisotrope Source statique + photons anisotropes Source en mouvement ( = equilibre) Source en mouvement élevé (référentiel de la source ) Champ de photons anisotrope -> > accélération jusqu jusqu’à à une vitesse d’équilibre (vitesse du « vent » de photons) Effet « fusée Compton » Collège de France, 14 décembre 2015 Dynamique d’un plasma de paires e+/eDans l’environnement d’un trou noir très dense en p photons,, la dynamique y q du plasma de paires est dominée par les effets radiatifs (≠ e- p+) Où la densité d’énergie Pour une source isotrope En introduisant la compacité Pour L~ Ledd On a Collège de France, 14 décembre 2015 Accélération d’un plasma de paires possibles uniquement à grande dist distance, ett sseulement l t si elles ll s ssontt maintenues i t s très t ès énergétiques é éti s Thèse T. Vuillaume Collège de France, 14 décembre 2015 Comportement plus compliqué en présence d’un champ de photons complexe l … (raies ( i s optiques, ti s tore t d de poussière…) ssiè ) Thèse T. Vuillaume Grands facteurs de Lorentz possibles si réaccélération suffisante à grande distance !! Collège de France, 14 décembre 2015 Différentes vitesses d’éjection … Coexistence de composantes super et subluminiques (ou stationnaires) Budget énergétique à grande échelle Evidence de gradients de vitesse transversaux (VLBI) ou longitudinaux O s r at on d’émission Observation m ss on gamma à gran grande échelle ch (lobes (o s Centaurus A) GRS 1915+105 1915 105 ((micro i quasar)) • • Jet compact observé pendant les états « low hard » Contraste jet/contre jet ->> v ~ 0.1 01à0 0.5 5c (Dhawan ‘00) Collège de France, 14 décembre 2015 Ejections superluminiques pendant d t des d éruptions é ti >2 (Mirabel Rodriguez ‘94) Le modèle à deux fluides Modele « Two flow » (Sol, Pelletier, Asséo ‘85, H. & Pelletier ‘91) introduit originellement g pour p décrire les observations radio petite p échelle (pc) (p ) vs grande g échelle (kpc) : suppose deux écoulements distincts Le « Jet MHD » : e- p+ à la Blandford & Payne : * moyennement relativiste : *transporte l’essentiel de la puissance alimenté par le disque d d’accrétion accrétion *alimenté *explique jets grande + échelle, chocs terminaux L « faisceau Le f i de d paires i e- e+ : * Engendré à l’interieur du précédent *P Produit duit ll’émissi émission n gamma mm ett les l s mouvements superluminiques * Moins important énergétiquement * Confiné par le jet MHD extérieur Collège de France, 14 décembre 2015 Formation du faisceau de paires Géneration « in situ » dans le jet MHD (H.& Pelletier 91, Marcowith et al. ‘95) Paires P i produites d it par l’l’annihilation ihil ti • accélération initiale de particules • Production de X et par Compton I Inverse s • annihilation produit de nouvelles paires • Ré Réaccélération élé ti n des d s paires p i s produites. • Mécanisme sature par l’énergie libre disponible dans la turbulence. Collège de France, 14 décembre 2015 e+ e X, hvs Distribution en énergie des particules Accélération par chocs Fermi 1er ordre -> loi de puissance (modèle une zone) Accélération diffuse par la turbulence -> distribution en « pile-up » piquant à 0 tel que tcool (0) = tacc(0) Loi de puissances peuvent être reproduites en partie par superposition spatiale l d de spectres « mono énergétiques é é »: Nécessite Né it une réaccélération é élé ti continuelle ti ll lle llong d du jet ! Collège de France, 14 décembre 2015 Collège de France, 14 décembre 2015 Thèse T. T Vuillaume Collège de France, 14 décembre 2015 Variabilité • Émission gamma souvent associée à une forte variabilité, périodes actives avec des éruptions intenses et rapidement variables (~ minutes) • Lien avec les autres longueurs d’ d complexe d’onde l et pas toujours reproductible (corrélation ou non avec l’é i i d l’émission de composantes t VLBI, la variabilité X, optique, eruptions « orphelines » …) Collège de France, 14 décembre 2015 Eruption de la composante HST 1 de M87 associée à une éruption gamma Collège de France, 14 décembre 2015 Un modèle dépendant du temps TeV injection F(>200Gev) optique p q X ray X-ray Densité de paires le long du jet Collège de France, 14 décembre 2015 Sites de réaccélération à grande distance ? Sites de réaccélération à grande distance ? ((d’après apr s A.. Marsch Marscherr ) Collège de France, 14 décembre 2015 Esquisse d d’une une « big picture » ? • Mécanisme double B-P (disque+jet magnétisé) + injection centrale de paires paires, par B-Z B Z ou non. non • Dynamique du jet essentiellement magnétique, dynamique d f du faisceau i d de paires i essentiellement i ll radiative di i • Possibilité d’évolution lente de l’activité (instabilités du disque) + éruptions rapides dues à la production de paires explosive • Possibilité de réaccélérations à grande distance introduisant un comportement spatial et temporel complexe • Encore beaucoup d’observations coordonnées et de simulations nécessaires pour comprendre le comportement de ces objets ! Collège de France, 14 décembre 2015 Merci et bonnes fêtes ! Collège de France, 14 décembre 2015
