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…
Marion Cadolle BelSF2A 2006
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
Marion Cadolle BelSF2A 2006
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
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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
Marion Cadolle BelSF2A 2006
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
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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)
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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
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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)
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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)
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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)
Marion Cadolle BelSF2A 2006
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
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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
)
Marion Cadolle BelSF2A 2006
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
Marion Cadolle BelSF2A 2006
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…