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 ?)
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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
le 5/12/03le 5/12/03 Etude de trous noirs stellaires avec Etude de trous noirs stellaires avec INTEGRALINTEGRAL
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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)
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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
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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
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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
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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
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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)
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Image du centre galactique avec Image du centre galactique avec IBISIBIS
H 1743-322H 1743-322
XTE 1720-318XTE 1720-318
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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
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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 ?
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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
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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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