Study of the high energy emission of accreting compact objects with SPI/INTEGRAL
Etude de l'émission haute énergie des objets compacts avec SPI/INTEGRAL
Résumé
The study of the high energy emission is essential for understanding the radiative processes inherent to accretion flows onto compact objects (black holes and neutron stars). The X/-ray continuum of these systems is successfully interpreted in terms of two components. The first component corresponds to blackbody emission from a geometrically thin optically thick accretion disk while the second component is generally associated to Compton scattering of the thermal disk flux off hot electrons. Despite considerable advances throughout the years, the heating mechanisms as well as the structure of the hot Comptonizing plasma remain poorly understood. In order to shed light on the physical processes that govern the innermost regions of the accretion flow, we take advantage of the data archive accumulated by the SPI instrument, a high energy spectrometer (20 keV - 8 MeV) developed at the CESR (now IRAP, Toulouse, France) for the INTEGRAL mission. Above 150 keV, SPI combines a unique spectral resolution with unequalled sensitivity, being thus an ideal tool to study the high energy emission of accreting compact objects. The thesis manuscript reports on the results of timing and spectral studies of three particular systems. First, I address the high energy emission of the enigmatic microquasar GRS 1915+105, a source characterized by colossal luminosity and strong chaotic variability in X-rays. On a timescale of about one day, the photon index of the 20 - 200 keV spectrum varies between 2.7 and 3.5 ; at higher energies (>150 keV), SPI unveils the systematic presence of an additional emission component, extending without folding energy up to ~500 keV. Second, I study the high energy emission of GX 339-4, a source whose spectral properties are representative of black hole transients. The spectrum of the luminous hard state of this system shows a variable high energy tail (>150 keV), with significant flux changes on a short timescale (several hours). I explain the observed spectral variability in the framework of a new Comptonization model which accounts self-consistently for the presence of a magnetic field and introduce a purely non-thermal scenario as an alternative interpretation of the luminous hard state of accreting black hole binaries. Finally, I present a long term study of the high energy emission of the X-ray burster GS 1826-24. The accretion flow being extraordinarily stable, I integrated over 8 Msec of data allowing to measure the average source spectrum up to 500 keV. Once again, there is strong evidence for a hard spectral tail above 150 keV, establishing that this feature is not exclusively associated to black hole systems. I compare the results obtained for the three sources and discuss the possible physical origins of the high energy emission of stellar-size compact objects, emphasizing that all observed spectral shapes can be explained by a non-thermal magnetized corona model.
L'étude de l'émission haute énergie est indispensable pour comprendre les processus radiatifs inhérents aux flots d'accrétion sur les objets compacts (trous noirs et étoiles à neutrons). Le continuum X/γ d'un tel système est généralement interprété selon deux composantes. La première traduit la présence d'un disque d'accrétion alors que la deuxième, à plus haute énergie (>20 keV), peut s'expliquer par des diffusions Compton inverses entre électrons chauds et photons de plus basse énergie. Les mécanismes de chauffage des électrons et la structure du milieu de Comptonisation restent cependant mal connus. Pour approfondir notre compréhension des processus physiques qui gouvernent ce milieu, nous disposons d'une quantité importante de données issues de l'instrument SPI, un spectromètre haute énergie (20 keV - 8 MeV) développé au CESR (désormais IRAP, Toulouse, France) pour la mission INTEGRAL de l'ESA. Au-dessus de 150 keV, SPI réunit une résolution spectrale et une sensibilité sans précédent et constitue donc un outil idéal pour l'étude de l'émission haute énergie des objets compacts. Le manuscrit présente les résultats d'une étude spectrale et temporelle de trois systèmes particuliers. Le premier est l'énigmatique microquasar GRS 1915+105, caractérisé par une forte variabilité en rayons X et une luminosité colossale. Sur une échelle de temps de l'ordre du jour, l'indice de photon dans la bande 20 - 200 keV varie entre 2.7 et 3.5 ; à plus haute énergie (>150 keV), les mesures de SPI montrent la présence systématique d'une composante additionnelle qui s'étend sans coupure jusqu'à ~500 keV. Le deuxième système abordé est GX 339-4, une source dont le comportement spectral est représentatif des systèmes à trou noir. Les mesures de SPI ont révélé que le spectre de son état dur lumineux présente une composante énergétique (>150 keV) qui varie sur une échelle de temps de quelques heures. Pour expliquer ce phénomène, je propose une interprétation alternative de l'état dur grâce à un nouveau modèle qui inclut les effets du champ magnétique de manière auto-cohérente. Enfin, cette thèse comprend l'étude de la source GS 1826-24, un système à étoile à neutrons. Le flot d'accrétion étant extraordinairement stable, plus de 8 Msec de données ont pu être intégrées ce qui a permis de détecter la source jusqu'à plus de 500 keV. Une fois de plus, les mesures ont mis en évidence une composante haute énergie dans le spectre moyen ; cette caractéristique n'est donc pas exclusivement associée aux systèmes à trou noir. Après comparaison des résultats obtenus pour les trois sources, je discute les possibles origines physiques de l'émission haute énergie des systèmes accrétants, concluant que toutes les formes spectrales observées peuvent être expliquées par une couronne magnétique alimentée par des processus d'accélération non-thermiques.
Loading...