Modelling the X and Gamma-ray emission of compact objects using Monte-Carlo methods
Modélisation de l'émission X et Gamma des objets compacts par les méthodes Monte-Carlo
Résumé
The study of high energy radiative processes in relativistic plasma surrounding compact objects requires advanced simulation tools. I present numerical codes designed to simulate these processes (multiple Compton scatering, pair annihilation and production, Fe fluorescence...). First, standard linear Monte-Carlo codes are useful to compute the spectra arising from Comptonisation process or reflection on cold matter. Theses calculations are performed assuming a specific plasma geometry and particle distribution. Second, a non-linear Monte-Carlo code has been developed. This method enable to avoid assumptions on the electron (or pair) distribution which is computed self-consistently according to energy and pair balance and taking into account the radiative coupling with the cold matter present in the vicinity of the active region. The free parameters are then the power injected in the plasma and the way it is provided (thermal heating or injection/acceleration of high energy particles). The computed spectra when compared to observations, give the information on the steady-state particle energy distribution and the energy dissipation processes. In addition, this code can also deal with time dependent nonon-equilibrium situations. It enable to compute the evolution of the physical parameters as well as the light curves in different energy bands as a response to a varying plasma heating or soft photon input. Application to several model proposed to explain the X and gamma-ray observations are presented (thermal and non-thermal models, anisotropic illumination model and accretion disk coronna models). I show how such numerical tools can be used to put constraints on the geometry and physical parameters of the X-ray and gamma-ray emitting region of compact sources.
L'étude des processus de production de rayonnement de haute énergie dans les plasmas relativistes constituant l'environnement des objets compacts nécéssite des outils numériques relativement lourds. Je présente des codes dédiés à la simulation de ces processus (diffusions Compton multiples, production et annihilation de paires Èlectron-positon, raie de fluorescence du fer...). D'une part, des codes basés sur des méthodes Monte-Carlo standards (linéaires) permettent de calculer le spectre Èmis par Comptonisation dans un plasma chaud ou réflexion sur de la matière froide. Ces calculs sont effectuÈs pour une géométrie et une distribution des électrons fixée. D'autre part, un code Monte-Carlo nonlinéaire a été développé. Ce code évite les hypothèses sur la distribution des électrons (ou paires) qui est calculée de manière autocohérente en utilisant à la fois le bilan énergétique et le bilan de création/annihilation des paires, et en tenant compte du couplage avec la matière froide présente dans l'environnement de la région active. Les paramètres libres sont alors la puissance fournie au plasma et la façon dont cette énergie est fournie (chauffage thermique, injection/accélération de particules à haute énergie...). Les spectres calculés, comparés aux observations, donnent des informations sur la distribution des particules et les processus de dissipation d'énergie. Ce code permet également d'étudier des situations hors équilibre, dépendant du temps et notamment de calculer les courbes de lumière associées à une perturbation. Des applications aux différents modèles proposès pour rendre compte des observations X et gamma sont présentées (modèles thermiques, non-thermiques, modèle d'illumination anisotrope et modèles de couronne thermique radiativement couplèe au disque d'accrétion). Je montre comment de tels outils numériques peuvent mettre des contraintes sur la géométrie et les conditions physiques qui règnent dans les sources compactes de rayonnement X et gamma.
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