Semaine de lAstrophysique Française du 26 au 30 juin 2006 High-energy broad-band spectra of Cygnus...

Semaine de l’Astrophysique Française du 26 au 30 juin 2006

High-energy broad-band spectra of Cygnus X-1 measured by INTEGRAL

Marion Cadolle Bel, APC/CEA-Saclayet al. SAp (Saclay), CESR (Toulouse)

Marion Cadolle BelSF2A 2006

Systèmes Binaires X Objet compact + étoile compagnon - Accrétion donc échauffement (rayonnement X et γ)- Éjection de matière

processus physiques proches de l’objet compactproblèmes à résoudre

300 binaires X connues de la Voie Lactée : 18 TN confirmés ; 22 candidats (McClintock et Remillard 03)2 classes : - HMXB (compagnon massif O ou B) : Cygnus X-1

- LMXB ( ’’ faible masse) : XTE J1720Cadolle Bel et al. 2004, A&A, 426, 659-667

Étude variabilités émissions haute énergie :plusieurs états spectraux à analyser/modéliser sur une large bande

(du keV au MeV) avec INTEGRAL…


Cygnus X-1, Prototype HMXB

Émission X brillante persistante 1964

1er trou noir reconnu en 1972

Binaire X de grandemasse à 2,4 kpc

- période orbitale 5,6 j- accrétion par vents

Trou noir de 10 M

supergéante bleue (type O9.7 I) de 20 M

Gallo et al. 2005, Nature, 436, 819Détection d’un jet relativiste


Classifications Spectrales

Haut/MouComposante dominante thermique molle en XIndice loi de puissance > 2,3 Bas/Dur (70% du temps)Faible flux des X mous, fort flux pour les photons durs (MeV)Indice 1,5-2 ; coupure à E > 100 keV

Bas/Dur

Haut/Mou

McConnell et al. 2002

0,1

0,5

Indic

e s

pect

ral

Jours Juliens Tronqués (TJD)Flux

-1,5

-4

8500 10000 11500

Cps

s-1

20

100

Indice BATSE (20-100 keV)

Flux BATSE

coups RXTE(2-12 keV)

Haut/Mou Bas/Dur


Courbe de lumière RXTE/ASM

52600

50

0

100

150

52800 53000 53200

Temps Universel (MJD)

Tau

x d

e co

mp

tag

e A

SM

(cp

s s-1

) 1,

5-12

keV

A B

Comportement spectro-temporel complexe (variabilité rapide X, spectre dur > 100 keV, radio)

290 mCrab

1,3 Crab

Cadolle Bel et al. 2006a, A&A, 446, 591-602


Courbe de lumièreindice de dureté IBIS/ISGRI

200

0

100

300

Tau

x d

e co

mp

tag

e (c

ps

s-1)

20-2

00 k

eV

Ind

ice

de

du

reté

20-3

0/40

-100

keV

0,6

0,8

1

1,2

1,4

52800 53000 53200

Temps Universel (MJD)

A B

670 mCrab

910 mCrab


Spectre large bande (période A) c

ps

no

rmal

isés

s-1 k

eV-1

0,001

1

0,01

0,1

χ 0

2

-2

Énergie (keV)

10 100 1000

JEM-X(31 ks)

SPI(365 ks)

IBIS/ISGRI(365 ks)

IBIS/PICsIT(159 ks)


Modélisations

ÉnergiekTin

Inte

nsi

té

kTe-

Photons directs mous

Photons durs indirectscomptonisés

Photons réfléchis

Jets

Couronne d’électrons chaudsrelativistes

Disque multicouleurs

IR X durs-γ

Bas/Dur

Haut/Mou

Sunyaev et Titarchuk 80y=kTe- Max (τ, τ2) /me-c2


Spectres comparés en photons

Énergie (keV)

Époque Ay = 0,51 ± 0,10kTe- = 67 ± 8 keVτ = 1,98 ± 0,22ω/2π = 0,25 ± 0,03χ2réd = 1,45 (230)

Époque By = 0,19 ± 0,07kTe- = 100 ± 21 keVτ = 0,98 ± 0,26ω/2π = 0,57 ± 0,08kTin = 1,16 ± 0,07 keVFe : 7,02 ± 0,11 keVχ2réd = 1,69 (236)

EF

(E)

(keV

cm

-2 s

-1)


Pourquoi ça ne marche pas ?

Controverses sur :- localisation / géométrie de la couronne (kTe- ,τ)- sous-estimation de la haute énergie > 200 keV, inadapté quand

- τ couronne ≤ 1- spectre Bas/Dur : diffusion Compton modélisée avec σ

diverses pour inclure effets relativistes (Titarchuk 94)

Composante de réflexion ajoutée (Magdziarz et Zdziarski 95) : ω/2π

« Bulk Motion » : mouvement d’ensemble d’électrons relativistes en chute libre (Laurent et Titarchuk 01)

Modèles « hybrides » : distribution thermique et non thermique pour les particules de la couronne : émissions jusqu’au MeV (Poutanen et Svensson 98 ; Coppi 99)


Modèles Hybrides Motivation : spectres observés chez Cygnus X-1 = pas de coupure !

Distribution du plasma Maxwellienne ou non thermique ? les 2 à la fois

Géométrie de la source de photons (disque)+ couronne en sandwich ou sphérique

Paramètres : R, Γp ou γinj, ls (corps noir), lh = lnth + lth, τP

- Compacité (sans dimension) li = (Li σT ) / R me-c3

- Distribution des électrons : loi de puissance (tronquée ou pas)fonction δ

Comptonisation et réflexion inclues (auto-consistantes)


Spectres hybrides

Émission non thermique ~ 50% pour modéliser la haute énergieÉtat Intermédiaire (présence du disque, luminosité proche de l’état Dur)

Γpow = 2,68 ± 0,15 (mais surestime flux)χ2réd = 1,29 (245)

γinj = 8,41 ± 0,77χ2réd = 0,99 (245)

Cadolle Bel et al. 2006, A&A, 446, 591 ; Malzac et al. 2006, A&A, 448, 1125-1137

Énergie (keV)

EF

(E)

(keV

cm

-2 s

-1)

EF

(E)

(keV

cm

-2 s

-1)

Énergie (keV)

χ χ


Corrélations flux X - radio 1/2

Forte corrélation entre dureté X et flux radio

(sur la journée)

Densité de flux radio à 15 GHz (mJy)

Dure

té X

(1

00

-14

0 k

eV

)/(4

-5 k

eV

)


Corrélations flux X - radio 2/2

Flux radio :- anti-corrélé avec flux X 3-7 keV- corrélé avec flux ≥15 keV

PIVOT vers 10 keVcorrélé avec la radio

plutôt que flux 3-25 keV avec la radio (Corbel et al. 2003) mais ok car IS

Log

Flu

x (

erg

cm

-2 s

-1)

Log Flux radio à 15 GHz (mJy)

3-4

keV

9-1

1 k

eV

10

0-1

40

keV


PERSPECTIVES

Cygnus X-1 : Comptonisation hybride + couplage inhabituel radioCorrélation réelle ? Cadolle Bel et al. 2006b in prep. (nova X)

Analyser les changements d’états d’autres sources pour affiner modélisations

Combiner les résultats d’INTEGRAL (3 keV-10 MeV) avec d’autres λ= accès à différentes zones : accrétion+jets ; compagnonpropositions VLA/VLBA et NTT simultanées avec INTEGRAL et RXTE

Analyse temporelle rapide à développer (QPOs) ≥ 30 keV

Contribution à haute énergie à comprendre : novae X + brillantes…

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