Ultraluminous X-ray sources and intermediate-mass black holes

par David Cseh

Thèse de doctorat en Astronomie et astrophysique

Sous la direction de Stéphane Corbel.

Soutenue en 2012

à Paris 7 .

  • Titre traduit

    Sources X ultralumineuses et trous noirs de masse intermédiaire


  • Résumé

    La découverte des sources X ultralumineuses (de l'anglais Ultraluminous X-ray sources, ULXs), il y a maintenant plus de dix ans, a contribué à l'éclosion d'un nouveau domaine de l'astrophysique. Plusieurs idées ont été développées afin d'expliquer la nature de ces sources, le i mécanisme régissant leur émission, leur masse ou leur origine mais aucune n'a réellement abouti. La découverte de ces objets, en lien avec le 1 concept de trou noir de masse intermédiaire, a accéléré l'étude des binaires X, de la physique de l'accrétion, de l'évolution stellaire, de la 1 cosmologie, de la formation et de la croissance des trous noirs. Puisque leur découverte a été faite dans le cadre de l'astrophysique des hautes | énergies, très peu de travaux ont été réalisés dans d'autres domaines de longueurs d'onde. Cette thèse s'articule autour d'une étude multi-I longueurs d'onde des ULXs et des trous noirs de masse intermédiaire et tente de surmonter quelques unes des difficultés inhérentes à la compréhension de ces objets. Dans une première partie, j'étudie les signatures des phénomènes d'accrétion d'un probable trou noir de masse intermédiaire dans un amas | globulaire donné. Ainsi, j'ai, pour la première fois, caractérisé la nature de la source X centrale de cet amas. L'étude de différents taux et I efficacités d'accrétion possibles, basés sur des observations X et radio m'a ensuite permis de proposer une borne supérieure à la masse du trou 1 noir. Les propriétés de l'accrétion de cette source ont été décrites gr,ce au modèle d'accrétion sphérique ainsi que dans le contexte de l'accrétion I inefficace. Dans un deuxième temps, j'ai tenté de mesurer dynamiquement la masse du trou noir dans une ULX donnée à l'aide de la spectroscopie | dans le domaine visible. J'ai découvert qu'une raie d'émission possède une composante large et décalée en longueur d'onde de manière j significative. J'ai étudié l'hypothèse que cette raie émane du disque d'accrétion et qu'elle puisse ainsi rendre compte de la dynamique orbitale du 1 système binaire. J'ai également caractérisé les paramètres de ce système binaire tel que sa fonction de masse, sa séparation orbitale, la taille de la | région émettrice et le borne upérieure à la masse du trou noir. J'ai ensuite étudié l'environnement d'un certain nombre d'ULXs associés à des nébuleuses visibles à grande échelle en optique et en radio. | J'utilise ces nébuleuses en tant que calorimètres afin d'en déduire l'énergie totale intrinsèque de ces ULXs, je caractérise la rétroaction avec l l'environnement et je compare ces sources à des objets observés dans notre Galaxie. J'étudie également le mécanisme d'expansion des nébuleuses I par jets. Par ailleurs, je fais également l'inventaire des observations radio relatives aux ULXs. Finalement, j'ai étudié la source HLX-1 qui est probablement un bon candidat trou noir de masse intermédiaire en menant une campagne I d'observations radio qui a abouti à la découverte de sursauts radio provenant de la source durant un état de transitoire d'émissiori X. L'intensité de | ces sursauts m'a permis de contraindre davantage la masse du trou noir et son taux d'accrétion.


  • Résumé

    More than ten years ago, the discovery of ultraluminous X-ray sources (ULXs) has opened up an entirely new field in astrophysics. Many ideas were developed to explain the nature of these sources, like their emission mechanism, mass, and origin, without any strong conclusions. Their discovery boosted the fields of X-ray binaries, accretion physics, stellar evolution, cosmology, black hole formation and growth, due to the concept of intermediate-mass black holes (IMBHs). Since their discovery is related to the domain of X-ray astrophysics, there have been very few 1 studies made in other wavelengths. This thesis focuses on the multiwavelength nature of ultraluminous X-ray sources and intermediate-mass black holes from various aspects, which help to overcome some difficulties we face today. First, I investigated the accretion signatures of a putative intermediate-mass black hole in a particular globular cluster. To this purpose, 1 I characterized the nature of the innermost X-ray sources in the cluster. Then I calculated an upper limit on the mass of the black hole by studying | possible accretion efficiencies and rates based on the dedicated X-ray and radio observations. The accreting properties of the source was described with standard spherical accretion and in the context of inefficient accretion. Secondly, I attempted to dynamically measure the mass of the black hole in a particular ULX via optical spectroscopy. I discovered that a certain emission line has a broad component that markedly shifts in wavelength. I investigated the possibility whether this line originates in the accretion disk, and thus might trace the orbital motion of the binary System. I also characterized the parameters of the binary system, such as the mass function, possible orbital separation, the size of the line emitting region, and an upper limit on the mass of the black hole. Then I studied the environment of a number of ULXs that are associated with large- scale optical and radio nebulae. 1 use these nebulae as a calorimeters to infer the total intrinsic power of these ULXs, characterize the feedback on the environment, and com- pare to Galactic sources. I I also investigated the power mechanism of inflating a bubble by jets. Then I discuss the current status of radio observations on ULXs, including ongoing radio surveys. Finally, I studied HLX-1, which is likely the first bona fide IMBH. This involves radio observations and analysis of the radio data that led to a discovery of radio flares from this source during an X-ray state transition. From the strength of the flares, I provided additional constraints on the mass of the black hole and its accretion rate.

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  • Détails : 1 vol. (XVIII-138 p.)
  • Annexes : 249 réf.

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  • Cote : TS (2012) 243

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