Etude des cycles d'hystérésis dans les binaires X à trou noir : application à l'objet GX 339-4

Hysteresis cycles in X-ray binaries

• Auteur / Autrice : Grégoire Marcel
• Direction : Jonathan Ferreira
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Astrophysique et milieux dilues
• Date : Soutenance le 19/10/2018
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale physique (Grenoble, Isère, France ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de planétologie et d'astrophysique de Grenoble (2011-....)
• Jury : Président / Présidente : Catherine Dougados
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Andrzej A Zdziarski, Sylvain Chaty
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Jörn Wilms, Jean-Marie Hameury

Mots clés

Mots clés contrôlés

Accrétion (astrophysique)

Magnétohydrodynamique

Trous noirs (astronomie)

Hystérésis, Cycle d'

Mots clés libres

Magnetohydrodynamique (MHD)

Trous noirs

Accretion-Ejection

Magnetohydrodynamics (MHD)

Black holes physics

Accretion-Ejection

Résumé

Les cycles d’hysteresis des binaires X lors de leurs sursauts restent inexpliqués a ce jour. Dans ce travail, nous avons développé les idées du paradigme propose par Ferreira et al. (2006), ou la matière dans le disque accrète de deux manières différentes. Dans le mode standard (SAD, Shakura et Sunyaev 1973), le couple turbulent transporte le moment cinétique radialement vers l’extérieur du disque. Dans le mode éjectant (JED, Ferreira et Pelletier 1995), le disque magnetise produit des jets qui emporte la matière, l’énergie et le moment angulaire verticalement. Dans ce cadre, la transition entre les deux modes est liée a la distribution de champ magnétique dans le disque, une inconnue. Pendant cette thèse, j’ai développé un code capable de résoudre a chaque rayon dans un disque l’équilibre thermique a deux températures pour de multiples jeu de paramètres. Ce code utilise Belm (Belmont et al. 2008 ; Belmont 2009) pour traiter le refroidissement radiatif et créer les spectres de manière auto-cohérente. Les processus de chauffage sont analytiques, ainsi que les processus d’advection, qui sont calcules de l’interieur vers l’exterieur.Grace a ce code, nous avons pu montrer que des solutions de JED reproduisaient très bien les états hard jusqu’à 0.5 luminosités d’Eddington (Marcel et al. 2018a). Il a aussi été démontré que le JED subit un cycle d’hysteresis. En revanche, la luminosité de ce cycle est bien trop faible et la présence inévitable de jets dans la configuration nous pousse a l’utilisation d’un SAD pour la reproduction d’états soft.Fort de ces résultats, j’ai adapte le code a la résolution de configuration de disque hybride, compose d’un JED interne et d’un SAD externe, séparé en un rayon de transition rJ. En jouant sur ce paramètre rJ et sur le taux d’accrétion mdot, nous avons pu montrer que les observations X de cycles typiques pouvaient être pavée. Après des calculs similaires a Heinz et Sunyaev (2003), nous pouvons estimer quel est le flux radio associe a chaque jeu de paramètres. Cela nous a permis de montrer 2 choses. (1) tous les flux radios sont reproductibles a l’aide d’un seul facteur de normalisation commun. (2) le flux radio et la forme du spectre en rayons X sont cohérents : les jeux de paramètres qui reproduisent le mieux chaque forme spectral sont associes aux bon flux radios. Afin d’illustrer ce résultat, 5 états canoniques de l’évolution de GX 339-4 ont ete reproduits : forme spectrale en X et flux radios (Marcel et al. 2018b). Pour finir, en utilisant une simple procédure d’ajustement sur la forme spectrale en X, le cycle de 2010-2011 de GX 339-4 a pu être reproduit. De manière bluffante, les évolutions de rJ et mdot semblent être en accord avec les prédictions théoriques (Esin et al. 1997). De plus, les estimations de flux radio étant cohérentes avec les observations, nous avons décidé de les ajouter directement dans la procédure d’ajustement. L’ajout de cette composante a permis une excellente reproduction simultanée de la radio et des spectres X de manière. C’est, a notre connaissance, la première fois que les phénomènes d’accrétion et d’éjection sont utilisés simultanément. Ces résultats, ainsi que les discussions et implications seront bientôt soumis.

The hysteresis behavior of X-ray binaries during their outbursts remains a mystery. In this work, we developed the paradigm proposed in Ferreira et al. (2006) where the disk material accretes in two possible, mutually exclusive, ways. In the standard accretion disk (SAD, Shakura et Sunyaev 1973) mode, the dominant local torque is due to MHD turbulence that transports radially the disk angular momentum. In the jet-emitting disk (JED, Ferreira et Pelletier 1995) mode, magnetically-driven jets carry away mass, energy and all the angular momentum from the disk. Within our framework, the transition from one mode to another is related to the magnetic field distribution, an unknown yet.In this thesis, I have developped a two-temperature plasma code able to compute the thermal balance at each radius for a large ensemble of disk parameters, as well as the self- consistent global emitted spectrum. The radiative cooling term and related spectrum (comptonized bremsstrahlung and synchrotron emission) are obtained using the Belm code (Belmont et al. 2008 ; Belmont 2009). Heating processes are analytical and due only to accretion, while advection is properly taken into account, carrying outside-in the memory of the outer thermal states.Using this code, we have shown that a JED extending along the entire disk nicely repro- duces hard states up to 0.5 Eddington luminosities (Marcel et al. 2018a). It was also shown that JEDs produce a natural hysteresis cycle. However, the global luminosity of the cycle is insufficient and the inevitable presence of jets in JEDs advocates for an inner SAD configuration in soft states.Based on these results, the code was enhanced to solve hybrid configurations with an internal JED and an external SAD, separated by a given transition radius rJ. Playing on both rJ and the accretion rate mdot, we have shown that X-ray observations of typical cycles can be completely covered. Using a simple synchrotron model similar to that of Heinz et Sunyaev (2003), the radio flux produced by the jets can be estimated, showing two important features. First, all radio observations can be covered by our model. Second, the radio flux and X- ray spectral coverages are consistents : parameter sets that reproduce best each spectral state also account for a consistent associated radio flux. For illustration, 5 canonical states from GX 339-4 have been reproduced in X-ray spectral shape and associated radio fluxes (Marcel et al. 2018b).Finaly, using a simple fitting procedure on X-ray spectral shape, the 2010-2011 cycle from GX 339-4 has been reproduced. Strikingly, the co-evolution of rJ and mdot seems to be in adequacy with initial theoretical expectations (Esin et al. 1997). Moreover, the estimated radio flux evolution being close to observations, we decided to use those within the fitting procedure. Adding radio fluxes constraints in the procedure allowed us to reproduce both the associated X-ray spectral shape and radio fluxes with excellent agreement. This is, to our knowledge, the first time that such an accretion-ejection cycle is reproduced. Those results, as well as discussions and implications will be soon submitted.