Etude de trous noirs stellaires accrétants avec le satellite INTEGRAL Marion Cadolle Bel DEA Astrophysique et Méthodes Associées Thèse 1 ère année, Service d Astrophysique, CEA Saclay, France JJC 2003, La Roche-en en-ardenne, Belgique 1/14
Formation d objets compacts (OC) «Vie» d une étoile = lutte permanente gravité / pression radiative «Mort» par effondrement gravitationnel (supernovae=sn) 10 46 J libérés = rayonnement EM d une galaxie entière pendant 30 ans! Définition de la compacité : Ξ ~ E Grav / Mc 2 Naine blanche (NB) 10-4 Ξ 10-3 (e - dégénérés) Etoile à neutrons (EN) Ξ ~ 2 10-1 (I F entre neutrons) Trou noir (TN) Ξ ~ 1 (rien ne s oppose) s v libération > c, le + compact Aucun rayonnement émis par TN domaines X et gamma à expliquer (environnement?) Etude de trous noirs stellaires avec INTEGRAL 2/14
Définition d un trou noir Région causalement déconnectée de l Univers Horizon à R S = 2GM/c 2 2 types authentifiés - stellaire (entre 3 et 20 M ) : reste d étoile massive (SN type II) - massif (entre 10 5 et 10 9 M ) : noyaux de galaxies 2 cas incertains - galaxies ultra lumineuses (masse intermédiaire) - «mini» trous noirs primordiaux 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 > 200 dans la Voie Lactée TN (masse stellaire) : ~3 3 10 8, 1000 M SgrA Intérêts astrophysiques variés SgrA*! 2 classes -HMXBHMXB (compagnon massif, O ou B) : Cygnus X-1X -LMXBLMXB (compagnon de faible masse) : XTE 1720, H 1743 1/3 non persistants = TRANSIENTS Étude de systèmes binaires à TN : plusieurs états spectraux à comprendre et à modéliser (de 0,1 kev au MeV) 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 E cin = Ξ mc 2 L acc TN : dégage jusqu à 42 % de l énergie de masse de matière accrétée Luminosité d Eddington (Thompson sur e - ) en égalisant P rad et gravitation Etude de trous noirs stellaires avec INTEGRAL 5/14
Formation d un disque? Accrétion directe radiale possible Chauffage par accrétion de matière en mouvement efficacité maximale si spirale Modèle standard disque visqueux -chauffé par diffusions coulombiennes des p +, ions sur e - -refroidi par (Bremsstrahlung) comptonisation viscosité :½: L acc dissipée Etude de trous noirs stellaires avec INTEGRAL 6/14
Image de la région du Cygne avec IBIS EXO2030 Cygnus X-3X Cygnus X-1X Etude de trous noirs stellaires avec INTEGRAL 7/14
Cygnus X-1, X prototype HMXB Emission X brillante persistante 1964 300 250 1 er TN reconnu en 1972 période + inclinaison connus Binaire X de grande masse à 2,4 kpc période orbitale 5,6 j accrétion par vents Trou noir de 10 M et supergéante bleue (type O9.7 I) de 18 M Source (cps/s) pour quatre bandes d énergie 200 150 100 50 250 200 150 100 20-40 kev Orbite 18 40-80 kev Comportement spectro-temporel temporel complexe (variabilité rapide X, spectre dur au-del delà de 100 kev) 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
Spectres de Cygnus X-1X Loi de puissance α = 2,03 ± 0,20 χ 2 réd = 1,99 (ndl( ndl=23) Modèle ST kt e- = 46,34 ± 4,39 kev τ = 2,77 ± 0,27 χ 2 réd = 0,20 (ndl( ndl=23) Coups normalisés / s / kev Résidus Coups normalisés / s / kev Résidus 10 1 1 0,1 0-1 -2 10 1 0,1 0,5 0-0,5-1 (a) (b) 20 30 40 50 100 200 Energie (kev) Etude de trous noirs stellaires avec INTEGRAL 9/14
Image du centre galactique avec IBIS XTE 1720-318 H 1743-322 322 Etude de trous noirs stellaires avec INTEGRAL 10/14
Deux sources intéressantes XTE 1720 découverte en janvier 2003 observée par INTEGRAL radio et IR 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? Etude de trous noirs stellaires avec INTEGRAL 12/14
Schématisation des zones émissives Terre Disque d accrétion i R S R in T in T R -3/4 Couronne chaude à kt e- I kt in kt e- Etude de trous noirs stellaires avec INTEGRAL 13/14 E
Objectifs de ma thèse Analyser les changements d états des sources observées -TN persistants -Novae X : processus d instabilités responsables? 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 longueurs d onde accès à différentes zones de l accrétion et au compagnon si possible Raie d annihilation à 511 kev Analyse temporelle rapide à développer (QPOs( QPOs) Etude de trous noirs stellaires avec INTEGRAL 14/14