THÈSE DOCTORAT DE L’UNIVERSITÉ DE TOULOUSE

THÈSE
THÈSE
En vue de l'obtention du
DOCTORAT DE L’UNIVERSITÉ DE TOULOUSE
DOCTORAT DE L’UNIVERSITÉ DE TOULOUSE
Délivré par L'UNIVERSITÉ TOULOUSE III - PAUL SABATIER
Discipline ou spécialité : ASTROPHYSIQUE
JURY
DR. JEAN-FRANÇOIS OLIVE Président Professeur, UPS/CESR, Toulouse
DR. CHRISTIAN MOTCH Rapporteur Directeur de Recherche, Obs. Strasbourg
DR. FRANK W. M. VERBUNT Rapporteur Professeur, Univ. Utrecht, Pays-Bas
DR. SYLVAIN CHATY Examinateur Maître de Conférences, CEA, Paris
DR. THOMAS J. MACCARONE Examinateur Lecturer, Univ. Southampton, Angleterre
DR. DIDIER BARRET Examinateur Directeur de Recherche, CESR, Toulouse
DR. NATALIE A. WEBB Directrice de Thèse Astronome Adjoint, CESR, Toulouse
Ecole doctorale : SCIENCES DE L'UNIVERS, DE L'ENVIRONNEMENT ET DE L'ESPACE
Unité de recherche : CENTRE D'ÉTUDE SPATIALE DES RAYONNEMENTS, UMR 5187
Directeur(s) de Thèse : NATALIE A. WEBB
Rapporteurs : CHRISTIAN MOTCH, FRANK W. M. VERBUNT
Présentée et soutenue par M MATHIEU ATHIEU SERVILLAT SERVILLAT
Le 28 novembre 2008
Titre :
I IDENTIFICATION DENTIFICATION MULTI MULTI- -LONGUEURS LONGUEURS D D' 'ONDE ONDE
DES DES SOURCES SOURCES X X FAIBLES FAIBLES DES DES AMAS AMAS GLOBULAIRES GLOBULAIRES

Résumé
Cette thèse a permis d’étudier en détails les sources X faibles de trois amas globulaires galac-
tiques (NGC 2808, NGC 4372 et M 22) afin de mieux comprendre leur évolution dynamique. Des
observations X effectuées avec XMM-Newton et Chandra sont présentées et analysées. Elles sont
complétées par des observations dans le visible, l’ultraviolet, l’infrarouge et le domaine radio dans
le but d’identifier les sources X liées à ces amas globulaires.
Les observations X ont permis de détecter 16 sources liées à NGC 2808 et 18 sources liées à
M 22. Ces sources sont principalement des binaires serrées. Cette population élevée de binaires
aurait un rôle important à jouer dans le ralentissement de l’effondrement dynamique du cœur de
ces amas globulaires.
Une binaire X de faible masse en quiescence contenant une étoile à neutrons a été détectée dans
NGC 2808 et les observations indiquent qu’aucune source de ce type n’est présente dans M 22 et
NGC 4372. Ces résultats sont en accord avec la corrélation déjà observée entre le nombre de ces
objets et le taux de rencontre d’étoiles dans le cœur des amas globulaires et confortent la théorie
de la formation dynamique pour ces binaires.
Un déficit possible de sources X détectées dans NGC 2808, par rapport aux sources X attendues
par formation dynamique, semble indiquer que le taux de rencontre n’est pas le seul paramètre
intervenant dans la production de toutes les sources X. Les observations présentées dans cette
thèse indiquent que la métallicité de l’amas pourrait avoir une influence sur le nombre de sources
X observées dans les amas globulaires.
Les observations X de NGC 2808 sont en accord avec un déficit d’éruptions de variables ca-
taclysmiques déjà observé dans les amas globulaires. À partir des rapports X/ultraviolet et d’ob-
servations spectroscopiques, nous proposons différentes approches afin de résoudre ce problème.
Celles-ci consistent à déterminer si les variables cataclysmiques des amas globulaires sont en majo-
rité magnétiques, si elles ont un taux d’accrétion faible, ou si elles contiennent des naines blanches
de masse plus élevée. Les incertitudes sont encore trop importantes pour conclure, mais des obser-
vations futures plus profondes doivent nous permettre de contraindre la nature de ces sources.
Enfin, d’autres sources d’énergie centrales ont été proposées pour retarder l’effondrement de
cœur des amas globulaires, comme la présence d’un trou noir de masse intermédiaire. Les obser-
vations que je présente dans cette thèse permettent d’apporter une limite supérieure de quelques
centaines de masses solaires, si un tel objet se trouvait dans NGC 2808.
i

ii RÉSUMÉ

Abstract
I present a comprehensive study of the faint X ray sources of three Galactic globular clusters
(NGC 2808, NGC 4372 and M 22) in order to understand their dynamical evolution. XMM-Newton
and Chandra observations are presented and analysed. They are strengthened by optical, ultraviolet,
infrared and radio observations in order to identify the X-ray sources associated with these globular
clusters.
X-ray observations lead to the detection of 16 sources in NGC 2808 and 18 sources in M 22.
These sources are mainly close binaries. This significant population of close binaries is likely to
play an important role in slowing down the core collapse of these clusters.
One quiescent neutron star low-mass X-ray binary was detected in NGC 2808, and there is
no evidence for such an object in M 22 and NGC 4372. These results are in agreement with the
relationship already observed showing that the number of these objects is correlated with the stellar
encounter rate in the core of globular clusters. It is therefore likely that these binaries are formed
dynamically.
A possible lack of X-ray sources detected in NGC 2808, compared to the number of X-ray
sources expected through dynamical production, indicates that the encounter rate is not the only
parameter to play a role in the formation of the X-ray sources. The observations presented in this
thesis show that the cluster metallicity could play a role in the production of close binaries, and
thus could influence the number of X-ray sources observed in globular clusters.
X-ray observations of NGC 2808 confirm the deficit of cataclysmic variable outbursts already
observed in globular clusters. Using X-ray to ultraviolet ratios, and optical spectroscopic obser-
vations, we suggest different approaches to tackle this issue, and try to determine whether it is
because of moderate magnetic fields and low mass transfer, or increased white dwarf masses. Our
uncertainties are still too large to be conclusive, but future, deeper observations should allow us to
constrain the nature of these sources.
Other central energy sources have also been proposed in the literature to explain core collapse
delay in globular clusters, such as the presence of an intermediate mass black hole. The observa-
tions presented in this thesis allow us to derive a mass limit of several hundreds of solar masses, if
such an object is present in NGC 2808.
iii