Le 5/12/03 JJC 2003, La Roche-en-Ardenne, Belgique 1/14 Etude de trous noirs stellaires accrétants...

le 5/12/03le 5/12/03 JJC 2003, La Roche-en-Ardenne, JJC 2003, La Roche-en-Ardenne, BelgiqueBelgique

11/14/14

Etude de trous noirs stellaires Etude de trous noirs stellaires accrétants avec le satellite INTEGRALaccrétants avec le satellite INTEGRAL

Marion Cadolle Bel Marion Cadolle Bel DEA Astrophysique et Méthodes AssociéesDEA Astrophysique et Méthodes Associées

Thèse 1Thèse 1èreère année, Service d’Astrophysique, CEA Saclay, France année, Service d’Astrophysique, CEA Saclay, France

le 5/12/03le 5/12/03 Etude de trous noirs stellaires avec Etude de trous noirs stellaires avec INTEGRALINTEGRAL

22/14/14

Formation d’objets compacts (OC)Formation d’objets compacts (OC)

« Vie » d’une étoile = lutte permanente « Vie » d’une étoile = lutte permanente gravité / pression gravité / pression radiativeradiative

« Mort » par « Mort » par effondrementeffondrement gravitationnel (supernovae=SN) gravitationnel (supernovae=SN)101046 46 J libérés = rayonnement EM d’une galaxie entière pendant J libérés = rayonnement EM d’une galaxie entière pendant

30 ans !30 ans !

Définition de la Définition de la compacitécompacité : : ΞΞ ~ ~ EEGravGrav / Mc / Mc22

Naine blanche (NB)Naine blanche (NB) 1010-4-4 ≤ ≤ ΞΞ ≤ 10 ≤ 10-3-3 (e (e-- dégénérés) dégénérés)

Etoile à neutrons (EN)Etoile à neutrons (EN) ΞΞ ~ 2 ~ 2 1010-1 -1 (I(IF F entre neutrons)entre neutrons)

Trou noir (TN)Trou noir (TN) ΞΞ ~ ~ 1 (rien ne s’oppose)1 (rien ne s’oppose)v libération v libération > c, le + compact> c, le + compact

Aucun rayonnement émis par TN…Aucun rayonnement émis par TN…domaines domaines XX et et gammagamma à expliquer…(environnement ?) à expliquer…(environnement ?)


33/14/14

Définition d’un trou noirDéfinition d’un trou noir

Région causalement Région causalement déconnectéedéconnectée de l’Univers de l’Univers

Horizon à RHorizon à RSS = 2GM/c = 2GM/c22

2 types authentifiés2 types authentifiés- - stellairestellaire (entre 3 et 20 M (entre 3 et 20 M) : reste d’ ) : reste d’ étoileétoile massivemassive (SN type (SN type

II)II)- - massifmassif (entre 10 (entre 1055 et 10 et 1099 M M) : ) : noyauxnoyaux de de galaxiesgalaxies

2 cas incertains2 cas incertains- galaxies ultra lumineuses (masse intermédiaire)- galaxies ultra lumineuses (masse intermédiaire)- « mini » trous noirs - « mini » trous noirs primordiauxprimordiaux


44/14/14

Système binaire XSystème binaire X

Système : Système : OCOC (EN, TN) + (EN, TN) + étoile compagnonétoile compagnonFonction de masseFonction de masse : limite inférieure de M : limite inférieure de M

> > 200 dans la Voie Lactée200 dans la Voie Lactée

TN (masse stellaire) : TN (masse stellaire) : ~~3 103 1088, 1000 M, 1000 MSgrA*SgrA*!!

Intérêts astrophysiques variésIntérêts astrophysiques variés

2 classes2 classes--HMXBHMXB (compagnon massif, O ou B) : Cygnus X-1 (compagnon massif, O ou B) : Cygnus X-1--LMXBLMXB (compagnon de faible masse) : XTE 1720, H 1743 (compagnon de faible masse) : XTE 1720, H 17431/3 non persistants = TRANSIENTS1/3 non persistants = TRANSIENTS

Étude de systèmes binaires à TN : plusieurs états spectraux Étude de systèmes binaires à TN : plusieurs états spectraux à comprendre et à modéliser (de 0,1 keV au MeV)à comprendre et à modéliser (de 0,1 keV au MeV)


55/14/14

L’accrétion dans les systèmes L’accrétion dans les systèmes binairesbinaires

Chute Chute gravitationnellegravitationnelle énergie énergie cinétiquecinétique acquise acquisetransformée en chaleur puis en transformée en chaleur puis en rayonnementrayonnement

EEcincin = = ΞΞ mcmc2 2 L Laccacc

TN : dégage jusqu’à TN : dégage jusqu’à 42 42 %% de l’énergie de masse de de l’énergie de masse de matièrematière

accrétéeaccrétée

Luminosité d’ Luminosité d’ EddingtonEddington (Thompson sur e (Thompson sur e--))

en égalisant Pen égalisant Pradrad et gravitation et gravitation


66/14/14

Formation d’ un disque ?Formation d’ un disque ?

Accrétion directe radiale possibleAccrétion directe radiale possible

Chauffage par accrétion de matière en mouvementChauffage par accrétion de matière en mouvement

efficacité maximale si efficacité maximale si spiralespirale

Modèle standard disque Modèle standard disque visqueuxvisqueux

-chauffé par diffusions coulombiennes des p-chauffé par diffusions coulombiennes des p++, ions sur e, ions sur e--

-refroidi par (Bremsstrahlung) comptonisation-refroidi par (Bremsstrahlung) comptonisation

viscosité :viscosité :½½ L Laccacc dissipéedissipée


77/14/14

Image de la région du Cygne avec Image de la région du Cygne avec IBISIBIS

EXO2030EXO2030Cygnus X-3Cygnus X-3 Cygnus X-1Cygnus X-1


88/14/14

Cygnus X-1, prototype HMXBCygnus X-1, prototype HMXB

Emission X Emission X brillante persistantebrillante persistante 1964 1964

11erer TN TN reconnu en 1972 reconnu en 1972période + inclinaison connuspériode + inclinaison connus

Binaire X de Binaire X de grande massegrande masse à 2,4 kpc à 2,4 kpcpériode orbitale 5,6 jpériode orbitale 5,6 jaccrétion par ventsaccrétion par vents

Trou noir de 10 MTrou noir de 10 M et supergéante bleue et supergéante bleue (type O9.7 I) de 18 M(type O9.7 I) de 18 M

Comportement Comportement spectro-temporelspectro-temporel complexe (variabilité rapide X, spectre dur complexe (variabilité rapide X, spectre dur au-delà de 100 keV)au-delà de 100 keV)

1070 1070,5 1071 1071,5 1072 1072,5 1073 1073,5S

ourc

e (c

ps/s

) po

ur q

uatr

e ba

ndes

d’é

nerg

ie 20-40 keV

40-80 keV

80-140 keV

140-300 keV

Temps Universel (Jours Julien INTEGRAL)

0

100

50

200

250

150

50

100

150

200

250

300

Orbite 18Orbite 18


99/14/14

Spectres de Cygnus X-1Spectres de Cygnus X-1

20

Ré

sid

us

Cou

ps n

orm

alis

és /

s / k

eVR

ési

du

s

-1

0

0,1

1

-2

-1

0

0,1

1

1

10

Cou

ps n

orm

alis

és /

s / k

eV

30 40 50 100 200

Energie (keV)

-0,5

0,5

10

(a)

(b)

Loi de puissanceLoi de puissanceαα = 2,03 = 2,03 ±± 0,200,20χχ 22réd réd = 1,99 (ndl=23)= 1,99 (ndl=23)

Modèle STModèle STkTkTe-e- = 46,34 = 46,34 ±± 4,39 4,39 keVkeVττ = 2,77 = 2,77 ±± 0,270,27χχ 22réd réd = 0,20 (ndl=23)= 0,20 (ndl=23)


1010/14/14

Image du centre galactique avec Image du centre galactique avec IBISIBIS

H 1743-322H 1743-322

XTE 1720-318XTE 1720-318


1111/14/14

Deux sources intéressantesDeux sources intéressantes

XTE 1720XTE 1720découverte en janvier découverte en janvier 20032003observée par INTEGRALobservée par INTEGRALradio et IRradio et IR

H 1743H 1743identifiée depuis mars par identifiée depuis mars par INTEGRAL comme source de INTEGRAL comme source de 19781978radioradio


1212/14/14

Spectres de ces sources Spectres de ces sources transitoires ou novae Xtransitoires ou novae X

XTE 1720XTE 1720 H 1743H 1743

……Interprétation physique de ce modèle ST ?Interprétation physique de ce modèle ST ?


1313/14/14

Schématisation des zones Schématisation des zones émissivesémissives

EkTin

I

kTe-

Disque d’ accrétion

Couronne chaude à kTe-

Terre

Rin

RS

Tin

i

TR-3/4


1414/14/14

Objectifs de ma thèseObjectifs de ma thèse

Analyser les Analyser les changements d’étatschangements d’états des sources observées des sources observées-TN persistants-TN persistants-Novae X : processus d’instabilités responsables ?-Novae X : processus d’instabilités responsables ?

Confirmer et/ou infirmer les Confirmer et/ou infirmer les modèlesmodèles existants + existants + améliorations contribution à haute énergieaméliorations contribution à haute énergie

Combiner les résultats d’INTEGRAL (3 keV à 10 MeV) avec Combiner les résultats d’INTEGRAL (3 keV à 10 MeV) avec observations observations multi-longueurs d’ondemulti-longueurs d’onde

accès à différentes zones de l’accrétion et au accès à différentes zones de l’accrétion et au compagnon si possiblecompagnon si possible

Raie d’ Raie d’ annihilationannihilation à 511 keV à 511 keV

Analyse Analyse temporelletemporelle rapide à développer (QPOs) rapide à développer (QPOs)

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