Modeling the emission of active galactic nuclei at Fermi's era
Modélisation de l'émission des noyaux actifs de galaxie à l'ère Fermi
Résumé
Active galactic nuclei (AGN) are the most energetic objects known in the universe. Their fantastic luminosity is due to efficient conversion of gravitational energy of mass accreted on super-massive black-holes at the center of galaxy. About 10% of AGN are even more incredible as they display relativistic jets on galaxy scales. Those jets are observed at all energies, from far radio to the highest gamma-rays. Despite intense study since their discovery in the 50's and more and more observations, encouraged by rapid progress in instrumentation, AGN are still widely misunderstood. The questions of formation, composition, and acceleration of jets are central but still a matter of debates. Models aiming at reproducing observed emission have been developed throughout the years. The most common one, the one-zone model, often relies on ad-hoc hypothesis and does not provide a satisfactory answer.
The two-flow paradigm developed at IPAG and based on an original idea from Sol et al (1989) aims at giving a more coherent and physical representation of AGN jets. The principal assumption is that jets are actually composed of two coaxial flows: an inner spine made of a pure pair plasma, moving at relativistic speed and responsible for the non-thermal observed emission surrounded by an external sheath, made of a baryonic MHD plasma, mildly relativistic but carrying most of the power. The two-flow paradigm finds roots in observations as well as theoretical arguments and has been able to explain many AGN features.
During my PhD, I studied this paradigm and contributed to the development of a numerical model based on its concepts. I have been particularly interested in the inverse Compton scattering of thermal photons, fundamental process in the modeling of AGN emission, as well as the Compton rocket effect, key to the acceleration of the spine in the two-flow paradigm.
However, taking completely into account the inverse Compton emission can be very time consuming. To accomplish fast and efficient computation of the external Compton emission, I have had to formulate new analytical approximations of the scattering of a thermal distribution of photons.
I have also studied the Compton rocket effect, responsible for the acceleration of the inner spine in the two-flow paradigm. I showed that the resulting bulk Lorentz factor of the flow in the complex photon field of an AGN is subject to variations along the jet as a function of the distance to the central engine. These variations can have drastic effects on the observed emission and could induce variability, both spatially and temporally.
I also showed that the terminal bulk Lorentz factor obtained are compatible with physical conditions expected in jets and with observations.
The complete model produce spectral energy distribution (SED) comparable to observed ones. However, the model is by nature erratic and it is difficult to make a direct link between the model parameters (input) and the SED (output). Unfortunately, standard data fitting procedures (e.g. based on gradient methods) are not adapted to the model due to its important number of parameters, its important computing time and its non-linearity. In order to circumvent this issue, I have developed a fitting tool based on genetic algorithms. The application of this algorithm allowed me to successfully fit several SED. In particular, I have also showed that the model, because based on a structured jet model, can reproduce observations with low bulk Lorentz factor, thus giving hope to match observations and theoretical requirements in this matter.
Les noyaux actifs de galaxie (NAG) sont les objets les plus énergétiques de l’univers. Cette incroyable puissance provient de l’énergie gravitationnelle de matière en rotation autour d’un trou noir super-massif siégeant au centre des galaxies. Environ 10% des NAG sont pourvus de jets relativistes émanant de l’objet central (trou noir et matière environnante) et s’étalant sur des échelles de l’ordre de la galaxie hôte. Ces jets sont observés à toutes les longueurs d’ondes, de la radio aux rayons gamma les plus énergétiques. En dépit de nombreuses études et d’instruments de plus en plus précis depuis leur découverte dans les années 1950, les NAG sont encore très mal compris et la formation, la composition et l’accélération des jets sont des questions pleinement ouvertes. Le modèle le plus répandu visant à reproduire l’émission des NAG, le modèle "une zone", repose souvent sur des hypothèses ad hoc et ne parvient pas à apporter une modélisation satisfaisante.
Le paradigme du “two-flow” (deux fluides) développé à l’IPAG, et fondé sur une idée originale de Sol et al. (1989), a pour but de fournir une vision unifiée et cohérente des jets de NAG. Cette théorie repose sur une l’hypothèse principale que les jets seraient en fait composés de deux fluides co-axiaux. La colonne centrale composée d’un plasma purement leptonique (électrons/positrons) se déplaçant à des vitesses relativistes est responsable de la grande partie de l’émission non thermique observée. Elle est entourée d’une enveloppe composée d’un plasma baryonique (électrons/protons), régie par la magnéto- hydrodynamique, se déplaçant à des vitesses sous-relativistes mais transportant la majorité de l’énergie. Cette hypothèse s’appuie sur des indices observationnels ainsi que sur des arguments théoriques et permet d’expliquer nombre des caractéristiques des NAG.
Afin d’étudier plus en profondeur le paradigme du two-flow, un modèle numérique établie sur ses concepts et produisant des observables comparables aux observations est nécessaire. Durant ma thèse, j’ai participé au développement de ce modèle, m’intéressant notamment à la diffusion Compton inverse de photons provenant de l’extérieur du jet. Ce processus, primordial dans la modélisation des NAG, est aussi central dans le paradigme du two-flow car il est à l’origine de l’accélération de la colonne via l’effet fusée Compton. Pour cela, j’ai du développer de nouvelles approximations analytiques de la diffusion Compton d’une distribution thermique de photons.
En m’intéressant à l’effet fusée Compton, j’ai pu montrer que dans le champ de photons thermiques d’un NAG, le facteur de Lorentz d’ensemble du plasma pouvait être sujet à des variations le long du jet en fonction de la distance à l’objet central. Ces variations peuvent avoir un effet important sur l’émission observée et peuvent induire de la variabilité spatiale et temporelle. J’ai également montré que les facteurs de Lorentz terminaux obtenus étaient compatibles avec les conditions physiques attendues dans les jets et avec les observations.
Le modèle complet produit des densités spectrales d’énergies (DES) directement com- parables aux observations. Néanmoins, le modèle est par nature erratique et il est quasiment impossible de relier directement les paramètres du modèles avec les DES produites. Malheureusement, les procédures standards d’adaptation automatique aux données (e.g. les méthodes de gradient) ne sont pas adaptées au modèle du fait de son grand nombre de paramètres, de sa non-linéarité et du temps de calcul important. Afin de pallier ce problème, j’ai développé une procédure d’adaptation automatique s’appuyant sur les algorithmes génétiques. L’utilisation de cet outil a permis la reproduction de plusieurs DES par le modèle. J’ai également montré que le modèle était capable de reproduire les DES observées avec des facteurs de Lorentz d’ensemble relativement bas, ce qui pour- rait potentiellement apporter une harmonisation entre les observations et les nécessités théoriques.
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