Effets relativistes sur l'émission haute énergie des trous noirs
Résumé
Many recent observations show the existence of the relativistic effects in the black hole radiation (broad iron line, variability).I present the numerical tools for consistent calculations of the relativistic effects (gravitational shift, light bending effect) in the X and gamma rays radiation process around the black holes. These calculations based on Monte-Carlo methods allow to take the angular dependence of the source emission into account. Optimization methods are also presented because the calculation time can become considerably important. These numerical tools are applied to study the behavior of photons and leptons in the Kerr geometry, the influence of the source's position relative to the black hole centre and of the emission angle, as well as the observational effects on the emission of the disc located in the equatorial plane. The study uses an axisymmetric model consisting of a ring-like X-rays source above an accretion disc around a rotating black hole. The observed spectra are the superposition of the primary component directly from the source and the reflection component from the disc. The shape, the normalization, and the angular dependence of both components are investigated by varying the source radius and the distance between the source and the disc. The general relativistic effects are illustrated by a comparison with Newtonian and Special Relativity calculations. The multiple reflections are taken into account for the reflected photons returning to the disc by the light bending effects and their influence quantified. Finally, in order to compare our results with the observations, we investigated the relation between the primary component and the reflection component predicted by the model when the source position varies. The obtained results can reproduce the relation established from the observed data from NGC 4051, and give information on the variation of the source position. I have demonstrated that the relativistic effects are very important in the regions close to black holes and can not be neglected in the high energy emission spectra. I show as well how the relevant numerical tools (including optimization methods) can be integrated in numerical radiative transfer calculations.
Plusieurs observations récentes semblent montrer l'existence d'effets relativistes dans l'émission des trous noirs (raie de fluorescence du Fer large, variabilité). Je présente des outils numériques pour calculer les effets relativistes (le décalage gravitationnel, la courbure de l'espace-temps) de manière cohérente dans les processus de rayonnement X et gamma autour des trous noirs. Ces codes basés sur des méthodes Monte-Carlo permettent de prendre en compte la dépendance angulaire de l'émission de la source. Les méthodes d'optimisation des codes sont aussi présentées car les temps de calcul peuvent devenir considérablement élevés. Ces outils sont appliqués pour étudier le comportement des photons et des leptons en métrique de Kerr, l'influence de la position de la source par rapport au trou noir et de l'angle d'émission, ainsi que les effets observables sur l'émission d'un disque localisé dans le plan équatorial. Le modèle axisymétrique utilisé comprend une source X en forme d'anneau située au dessus d'un disque d'accrétion autour d'un trou noir en rotation. Les spectres observés sont la superposition de la composante primaire, observée directement de la source, et de la composante réfléchie par le disque. La forme, la normalisation et la dépendance angulaire des deux composantes sont étudiées en faisant varier le rayon de l'anneau et la distance entre la source et le disque. Les effets de la relativité générale sont mis en évidence par comparaison avec les résultats obtenus en métrique Newtonienne et en relativité restreinte. Les réflexions multiples sont prises en compte, pour les photons réfléchis qui retournent vers le disque d'accrétion en raison de la courbure de l'espace, et leur influence quantifiée. Finalement, afin de confronter nos calculs aux observations, nous avons regardé la relation prédite par notre modèle, entre la composante directe et la composante réfléchie, quand la position de la source varie. Les résultats obtenus reproduisent bien les données reportées pour la source NGC4051, et donnent alors des informations sur la variation de la position de la source. J'ai donc démontré que les effets relativistes sont très importants dans la région proche du trou noir et ne peuvent être négligés dans les spectres d'émission à haute énergie. Je montre également comment les outils numériques correspondants (incluant des méthodes d'optimisation) peuvent être incorporés dans les codes de transfert de rayonnement
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