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Délivré par
l’Université Toulouse III – Paul Sabatier
Discipline ou spécialité :
Astrophysique
JURY :
Dr. Alain Blanchard – Professeur (UPS/IRAP Toulouse, France) – Président
Dr. Angela Bazzano – Primo Ricercatore (IASF/INAF Rome, Italie) – Rapporteur
Dr. Philippe Laurent – Ingénieur CEA (CEA/IRFU Saclay, France) – Rapporteur
Dr. Jörn Wilms – Professor (UEN/DKRS Bamberg, Allemagne) – Examinateur
Dr. Gilles Henri – Professeur (UJF/LAOG Grenoble, France) – Examinateur
Dr. Elisabeth Jourdain – Chargée de recherche (IRAP Toulouse, France) – Directeur de thèse
Ecole doctorale : Science de l’Univers, de l’Environnement et de l’Espace (SDU2E)
Unité de recherche : UMR5277
Directeur de Thèse : Elisabeth Jourdain
Présentée et soutenue par
Robert Droulans
Le 28 janvier 2011
Titre :
Etude de l’émission haute énergie des objets compacts avec
SPI/INTEGRAL

Résumé
L’étude de l’émission haute énergie est indispensable pour comprendre les processus radiatifs in-
hérents aux flots d’accrétion sur les objets compacts (trous noirs et étoiles à neutrons). Le continuum
X/γd’un tel système est généralement interprété selon deux composantes. La première traduit la pré-
sence d’un disque d’accrétion alors que la deuxième, à plus haute énergie (>20 keV), peut s’expliquer
par des diffusions Compton entre électrons chauds et photons de plus basse énergie. Les mécanismes
de chauffage des électrons et la structure du milieu de Comptonisation restent cependant mal connus.
Pour approfondir notre compréhension des processus physiques qui gouvernent ce milieu, nous dispo-
sons d’une quantité importante de données issues de l’instrument SPI, un spectromètre haute énergie
(20 keV – 8 MeV) développé au CESR (désormais IRAP, Toulouse, France) pour la mission INTEGRAL
de l’ESA. Au-dessus de 150 keV, SPI réunit une résolution spectrale et une sensibilité sans précédent et
constitue donc un outil idéal pour l’étude de l’émission haute énergie des objets compacts.
Dans ce manuscrit, je présente les résultats d’une étude spectrale et temporelle de trois systèmes par-
ticuliers. Le premier est l’énigmatique microquasar GRS 1915+105, caractérisé par une forte variabilité
en rayons X et une luminosité colossale. Sur une échelle de temps de l’ordre du jour, l’indice de pho-
ton dans la bande 20 – 200 keV varie entre 2.7 et 3.5 ; à plus haute énergie (>150 keV), les mesures de
SPI montrent la présence systématique d’une composante additionnelle qui s’étend sans coupure jusqu’à
∼500 keV. Le deuxième système abordé est GX 339–4, une source dont le comportement spectral est
représentatif des systèmes à trou noir. Les mesures de SPI ont révélé que le spectre de son état dur lumi-
neux présente une composante énergétique (>150 keV) qui varie sur une échelle de temps de quelques
heures. Pour expliquer ce phénomène, je propose une interprétation alternative de l’état dur grâce à un
nouveau modèle qui inclut les effets du champ magnétique de manière auto-cohérente. Enfin, je présente
une étude de la source GS 1826–24, un système à étoile à neutrons. Le flot d’accrétion étant extraordi-
nairement stable, j’ai intégré plus de 8 Msec de données ce qui a permis de détecter la source jusqu’à
plus de 500 keV. Une fois de plus, les mesures ont mis en évidence une composante haute énergie dans
le spectre moyen ; cette caractéristique n’est donc pas exclusivement associée aux systèmes à trou noir.
Après comparaison des résultats obtenus pour les trois sources, je discute les possibles origines physiques
de l’émission haute énergie des systèmes accrétants, concluant que toutes les états lumineux peuvent être
expliqués par une couronne magnétique alimentée par des processus d’accélération non-thermiques.
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ii RÉSUMÉ

Abstract
The study of the high energy emission is essential for understanding the radiative processes inherent
to accretion flows onto compact objects (black holes and neutron stars). The X/γ-ray continuum of these
systems is successfully interpreted in terms of two components. The first component corresponds to
blackbody emission from a geometrically thin optically thick accretion disk while the second component
is generally associated to Compton scattering of the thermal disk flux offhot electrons. Despite conside-
rable advances throughout the years, the heating mechanisms as well as the structure of the hot Compto-
nizing plasma remain poorly understood. In order to shed light on the physical processes that govern the
innermost regions of the accretion flow, we take advantage of the data archive accumulated by the SPI
instrument, a high energy spectrometer (20 keV – 8 MeV) developed at the CESR (now IRAP, Toulouse,
France) for the INTEGRAL mission. Above 150 keV, SPI combines a unique spectral resolution with
unequalled sensitivity, being thus an ideal tool to study the high energy emission of accreting compact
objects.
In this manuscript, I present the results of timing and spectral studies of three particular systems.
First, I address the high energy emission of the enigmatic microquasar GRS 1915+105, a source cha-
racterized by colossal luminosity and strong chaotic variability in X-rays. On a timescale of about one
day, the photon index of the 20 – 200 keV spectrum varies between 2.7 and 3.5 ; at higher energies
(>150 keV), SPI unveils the systematic presence of an additional emission component, extending wi-
thout folding energy up to ∼500 keV. Second, I study the high energy emission of GX 339–4, a source
whose spectral properties are representative of black hole transients. The spectrum of the luminous hard
state of this system shows a variable high energy tail (>150 keV), with significant flux changes on a short
timescale (several hours). I explain the observed spectral variability in the framework of a new Comp-
tonization model which accounts self-consistently for the presence of a magnetic field and introduce a
purely non-thermal scenario as an alternative interpretation of the luminous hard state of accreting black
hole binaries. Finally, I present a long term study of the high energy emission of the X-ray burster GS
1826–24. The accretion flow being extraordinarily stable, I integrated over 8 Msec of data allowing to
measure the average source spectrum up to 500 keV. Once again, there is strong evidence for a hard spec-
tral tail above 150 keV, establishing that this feature is not exclusively associated to black hole systems.
I compare the results obtained for the three sources and discuss the possible physical origins of the high
energy emission of stellar-size compact objects, highlighting that all observed spectral shapes can be
explained by a non-thermal magnetized corona model.
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