Les extrêmes de l'accrétion : comprendre l'accrétion super-Eddington et les processus de rétroaction dans les sources ultra-lumineuses en X

The extremes of accretion : understanding super-Eddington accretion and feedback phenomena in Ultraluminous X-ray Sources

• Auteur / Autrice : Andrés Gúrpide Lasheras
• Direction : Jean-François Olive, Olivier Godet
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Astrophysique, Sciences de l'Espace, Planétologie
• Date : Soutenance le 25/11/2021
• Etablissement(s) : Toulouse 3
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de l’univers, de l’environnement et de l’espace (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de recherche en astrophysique et planétologie (Toulouse ; 2011-....)
• Jury : Président / Présidente : Geneviève Soucail
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jean-François Olive, Olivier Godet, Victoria Grinberg, Matteo Bachetti
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Christian Motch, Timothy Paul Roberts

Mots clés

Mots clés contrôlés

Étoiles à neutrons

Trous noirs (astronomie)

Sources galactiques de rayons X -- Accrétion

Mots clés libres

Accrétion

Binaries X

Étoiles à neutrons

Trous noirs

Rétroaction

Boules

Sources ultralumineuses en X

Accretion

X-ray binaries

Neutron stars

Black holes

Jets

Feedback,

Bubbles

Ultraluminous X-ray sources

Résumé

Les processus d'accrétion de matière permettent au trous noirs supermassifs (TNSMs; 10^6-10M⊙) au centre de la plupart des galaxies massives de convertir une partie de l'énergie potentielle gravitationnelle du gaz accrété sous forme de rayonnements et des vents/jets. L'étude de ce processus fondamental impliqué dans la croissance du trou noir (TN) central et sa rétroaction dans la galaxie est cruciale pour comprendre comment les TNs ont participé à la formation des structures à grande échelle de l'Univers. Observations de l'Univers primordial ont révélé que les TNSM avec des masses de 10^8-9M⊙ existaient déjà lorsque l'Univers n'avait que 5% de son âge actuel, suggérant que les TN ont dû croître extrêmement rapidement. Encore aujourd'hui, les mécanismes de croissance de ces trous noirs, notamment via l'accrétion super-Eddington, reste encore mal compris. S'il est impossible d'étudier en détail ces premiers TNSM avec l'instrumentation actuelle, il existe maintenant des preuves solides que la plupart des sources ultralumineuses en X (ULX), généralement trouvé dans les galaxies externes, sont des systèmes accrétant à des taux super-Eddington de manière stable. Telle une version réduite des TNSM, l'abondance de rayonnements et vents que ces sources produisent peuvent ioniser des nébuleuses de gaz s'étalant sur des centaines de parsecs, offrant une base observationnelle pour étudier la rétroaction et l'efficacité du régime Super-Eddington. Pourtant, la nature de l'accréteur dans la plupart d'entre elles reste inconnue, tandis que quelques unes montrent des pulsations en rayons X indiquant que l'accréteur est une étoile à neutrons (EN). De plus, les géométries des flots d'accrétion et sa dépendance avec la nature de l'accréteur sont encore mal contraintes. Cette thèse a pour ambition d'aider à mieux comprendre les propriétés de l'accrétion super-Eddington dans les ULXs et les phénomènes de rétroaction associés sur de multiples échelles spatiales au moyen d'études multi-longueur d'onde. Cette thèse est divisée en deux volets. Dans le premier, j'ai exploité les grandes quantités de données d'archive offertes par les principaux télescopes à rayons X (XMM-Newton, Chandra et NuSTAR) pour réaliser une étude détaillée des transitions spectrales d'un large échantillon d'ULXs, afin de tester les differents modèles d'émission. Pour la plupart des sources, j'ai montré que leurs transitions spectrales sont mieux décrites par des modèles invoquant une émission anisotrope induite par des vents autour de EN faiblement magnétisées (B < 10^12G) ou de TN accrétants. La richesse des données permet aussi d'examiner les différences/similitudes spectrales entre les ULX à ENs connues et celles dont l'accréteur est inconnu; entraînant la découverte d'un nouveau candidat de ce type. Ce travail est suivi d'une étude approfondie de deux ULX, Holmberg II X-1 & NGC 5204 X-1, pour laquelle j'ai exploité la cadence d'observation élevée du Swift-XRT pour révéler que ces deux sources suivent un cycle évolutif spectral récurrent. [...]

The supermassive black holes (SMBHs; 10^6-10M⊙) sitting at the centre of most massive galaxies act as enormous reservoirs of energy, accreting gas from the galaxy and efficiently converting part of the energy into radiation, outflows and jets. Studying this fundamental process involved in the growth of the central BHs and their feedback into their host galaxies is crucial to understand how BHs shaped the large-scale structures of the Universe as we observe them today. Surprisingly, the deepest infrared surveys have revealed that SMBHs with masses 10^8-9M⊙ were already present when the Universe was only 5% of its current age, suggesting that these BHs must have grown extremely fast, but the extreme accretion regime that would be required to allow these BHs to grow so fast is poorly understood. While studying these early SMBHs in detail is not feasible with current instrumentation, after two decades of studies, there is now firm evidence supporting that most of the Ultraluminous X-ray sources (ULXs) typically found in external galaxies are accreting binary systems undergoing sustained super-Eddington accretion. Much like a scaled-down version of a SMBH, the copious amounts of radiation and outflows these mighty sources produce can ionise large nebulae of gas extending hundreds of parsecs in size, offering an observational template to study the feedback and efficiency of the super-Eddington regime. Yet the nature of the accretor in most of them remains unknown, while a few show X-ray pulsations indicative of a neutron star (NS) accretor. Moreover, the accretion flow geometry allowing them to reach such extreme luminosities and its dependency with the nature of the accretor is still highly debated. This thesis presents a multi-wavelength study in an effort to shed light on the engines behind ULXs, the properties of their inflows and outflows as well the feedback signatures in their surroundings. Two main lines of investigation are presented. In the first one, I exploited the extensive archival data offered by the major X-ray telescopes (XMM-Newton, Chandra and NuSTAR) to present a comprehensive study of the long-term spectral transitions of a broad sample of high-quality data ULXs, including known pulsating NS-ULXs, in order to test which of the current models to explain their extreme luminosities fit the data best. The analysis suggest that for the most part, their spectral transitions are best described by models invoking anisotropic emission induced by super-Eddington winds, with accreting lowly magnetised (B < 10^12G) NSs or BHs as their engines. The wealth of data served also to examine the spectral differences/similarities between the known NS-ULXs and those for which the accretor is unknown, revealing a potential new NS-ULX. This work is followed by an in-depth study of two archetypal ULXs, Holmberg II X-1 and NGC 5204 X-1, where I exploited the high-observing cadence of Swift-XRT to reveal that these two sources follow a spectral recurrent evolutionary cycle. The spectral transitions and variability associated with the cycle is discussed in the framework of super-Eddington accretion, by invoking mass-accretion rate changes and varying degree of obscuration by the super-Eddington winds. [...]