Etude de trous noirs stellaires accrétants avec le
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Etude de trous noirs stellaires accrétants avec le satellite INTEGRAL Marion Cadolle Bel DEA Astrophysique et Méthodes Associées Thèse 1ère année, Service d’Astrophysique, CEA Saclay, France le 5/12/03 JJC 2003, La Roche-en-Ardenne, Belgique 1/14 Formation d’objets compacts (OC) z « Vie » d’une étoile = lutte permanente gravité / pression radiative « Mort » par effondrement gravitationnel (supernovae=SN) 1046 J libérés = rayonnement EM d’une galaxie entière pendant 30 ans ! z z Définition de la compacité : Ξ ~ EGrav / Mc2 Naine blanche (NB) 10-4 ≤ Ξ ≤ 10-3 (e- dégénérés) Ξ ~ 2 10-1 (IF entre neutrons) Etoile à neutrons (EN) Ξ ~ 1 (rien ne s’oppose) Trou noir (TN) v libération > c, le + compact Aucun rayonnement émis par TN… domaines X et gamma à expliquer…(environnement ?) le 5/12/03 Etude de trous noirs stellaires avec INTEGRAL 2/14 Définition d’un trou noir Région causalement déconnectée de l’Univers Horizon à RS = 2GM/c2 z 2 types authentifiés - stellaire (entre 3 et 20 M~) : reste d’ étoile massive (SN type II) - massif (entre 105 et 109 M~) : noyaux de galaxies z 2 cas incertains - galaxies ultra lumineuses (masse intermédiaire) - « mini » trous noirs primordiaux z le 5/12/03 Etude de trous noirs stellaires avec INTEGRAL 3/14 Système binaire X Système : OC (EN, TN) + étoile compagnon Fonction de masse : limite inférieure de M z > 200 dans la Voie Lactée TN (masse stellaire) : ~3 108, 1000 MSgrA*! z z Intérêts astrophysiques variés 2 classes -HMXB (compagnon massif, O ou B) : Cygnus X-1 -LMXB (compagnon de faible masse) : XTE 1720, H 1743 1/3 non persistants = TRANSIENTS z Étude de systèmes binaires à TN : plusieurs états spectraux à comprendre et à modéliser (de 0,1 keV au MeV) le 5/12/03 Etude de trous noirs stellaires avec INTEGRAL 4/14 L’accrétion dans les systèmes binaires Chute gravitationnelle énergie cinétique acquise transformée en chaleur puis en rayonnement Lacc Ecin = Ξ mc2 z TN : dégage jusqu’à 42 % de l’énergie de masse de matière accrétée z Luminosité d’ Eddington (Thompson sur e-) en égalisant Prad et gravitation z le 5/12/03 Etude de trous noirs stellaires avec INTEGRAL 5/14 Formation d’ un disque ? z Accrétion directe radiale possible Chauffage par accrétion de matière en mouvement efficacité maximale si spirale z z Modèle standard disque visqueux -chauffé par diffusions coulombiennes des p+, ions sur e-refroidi par (Bremsstrahlung) comptonisation viscosité :½ Lacc dissipée le 5/12/03 Etude de trous noirs stellaires avec INTEGRAL 6/14 Image de la région du Cygne avec IBIS EXO2030 le 5/12/03 Cygnus X-3 Etude de trous noirs stellaires avec INTEGRAL Cygnus X-1 7/14 Cygnus X-1, prototype HMXB X brillante persistante 1964 z 1er TN reconnu en 1972 période + inclinaison connus z Binaire X de grande masse à 2,4 kpc période orbitale 5,6 j accrétion par vents z Trou noir de 10 M~ et supergéante bleue (type O9.7 I) de 18 M~ z Comportement spectro-temporel complexe (variabilité rapide X, spectre dur au-delà de 100 keV) le 5/12/03 250 Source (cps/s) pour quatre bandes d’énergie z Emission 300 200 20-40 keV 150 Orbite 18 100 50 250 200 40-80 keV 150 100 80-140 keV 50 140-300 keV 0 1070 1070,5 1071 1071,5 1072 1072,5 1073 1073,5 Temps Universel (Jours Julien INTEGRAL) Etude de trous noirs stellaires avec INTEGRAL 8/14 Résidus Coups normalisés / s / keV Modèle ST kTe- = 46,34 ± 4,39 keV τ = 2,77 ± 0,27 χ 2réd = 0,20 (ndl=23) Résidus Loi de puissance α = 2,03 ± 0,20 χ 2réd = 1,99 (ndl=23) Coups normalisés / s / keV Spectres de Cygnus X-1 10 (a) 1 1 0,1 0 -1 -2 10 (b) 1 0,1 0,5 0 -0,5 -1 20 30 40 50 100 200 Energie (keV) le 5/12/03 Etude de trous noirs stellaires avec INTEGRAL 9/14 Image du centre galactique avec IBIS XTE 1720-318 H 1743-322 le 5/12/03 Etude de trous noirs stellaires avec INTEGRAL 10/14 Deux sources intéressantes XTE 1720 découverte en janvier 2003 observée par INTEGRAL radio et IR le 5/12/03 H 1743 identifiée depuis mars par INTEGRAL comme source de 1978 radio Etude de trous noirs stellaires avec INTEGRAL 11/14 Spectres de ces sources transitoires ou novae X XTE 1720 H 1743 …Interprétation physique de ce modèle ST ? le 5/12/03 Etude de trous noirs stellaires avec INTEGRAL 12/14 Schématisation des zones émissives Terre RS i Disque d’ accrétion Rin Tin T÷R-3/4 Couronne chaude à kTeI kTin le 5/12/03 kTe- E Etude de trous noirs stellaires avec INTEGRAL 13/14 Objectifs de ma thèse Analyser les changements d’états des sources observées -TN persistants -Novae X : processus d’instabilités responsables ? z z z Confirmer et/ou infirmer les modèles existants + améliorations contribution à haute énergie Combiner les résultats d’INTEGRAL (3 keV à 10 MeV) avec observations multi-longueurs d’onde accès à différentes zones de l’accrétion et au compagnon si possible z Raie d’ annihilation à 511 keV z Analyse temporelle rapide à développer (QPOs) le 5/12/03 Etude de trous noirs stellaires avec INTEGRAL 14/14
