Modelisation of the multiwavelength emission of compact objects : from X-ray binaries to Active Galactic Nuclei
Modélisation de l'émission multi-longueur d'onde des objets compacts : des binaires X aux Noyaux Actifs de Galaxies
Résumé
Accreting black holes are powered by the gravitational potential energy from the matter falling down on the black hole. They emit from the UV to the hard X-ray energy range and can produce relativistic jets. Stellar mass black hole found in galactic X-ray Binaries (XrB), can undergo powerful outbursts, lasting a few months and during which their luminosity rises to a fraction of their Eddington limit. These outbursts present multiple accretion states with a spectral dichotomy correlated with a jet dichotomy. During the hard states, the X-ray spectrum is dominated by a power-law emission originating from a hot corona, whose characteristics and geometry are still highly debated. At the same time, steady radio jets can be observed. During the soft states, the spectrum is dominated by the thermal emission from the disk and the absence of radio emission suggests the quenching of the jets. Outbursts cannot be observed in supermassive black holes present in Active Galactic Nuclei (AGN) as the timescales are so much longer. Instead, we can associate the time dependent sequence of accretion-ejection seen in a single XrB to the stationary snapshots seen in multiple different AGN. Similar to XrB, AGN show a strong correlation between the X-ray and the radio emission, showing that the accretion-ejection process is quite universal across the entire black hole mass scale.The Jet Emitting Disk -- Standard Accretion Disk (JED-SAD, Ferreira et al. 2006, Marcel et al. 2018a, 2018b) model is a hybrid disk configuration composed of an inner highly magnetized JED (Ferreira, 1997) and an outer SAD (Shakura & Sunyaev, 1973). Jets are launched from the magnetized JED, extracting angular momentum, increasing the accretion speed and thus allowing the low density accretion flow to play the role of the X-ray emitting hot corona. The JED-SAD model naturally explains the spectral and jet dichotomy observed in accreting black hole accretion states. Following the thesis of Gregoire Marcel (2018), who computed the thermal equilibrium and spectral output of any given JED-SAD configuration, with my thesis we take the next step and produce direct fits with the model.I developed spectral tables of the JED-SAD model that I use to fit UV and X-ray spectra from both XrB and AGN. I apply the model to the hard state’s observations of the XrB GX 339-4, constraining the evolution of the accretion flow. I then discover two different functional behavior of the jets' radio emission with the accretion flow parameters, suggesting a possible change of the jet emitting processes and/or emission properties between the beginning and the end of the outburst. In a second part of the thesis, I applied the JED-SAD model to the non-linear correlation observed between the UV (coming form the standard disk) and X-ray (from the hot corona) emissions in AGN samples. I focus on the Lusso et al. (2020) sample and constrain the relevant JED-SAD parameter space. I then produce simulated samples of AGN with the same density distribution in the UV--X-ray plane and presenting similar black hole mass and X-ray spectral index distributions as the Lusso et al. sample. The results suggest that the higher the black hole mass is, the lower the Eddington rate becomes. I interpret this as a lack of material around the most massive black holes, preventing them to reach high Eddington rates.
Les trous noirs accrétant sont alimentés par l'énergie potentielle gravitationnelle de la matière tombant sur le trou noir. Ils émettent dans les UV jusqu'au rayons X dures et sont capable de lancer des jets relativistes. Les trous noirs de masses stellaires, observés dans les binaires X de notre galaxie, présentent des éruptions pouvant durer quelques mois et durant lesquelles leur luminosité atteint une fraction de leur limite d'Eddington. Ces éruptions présentent plusieurs états d'accrétion avec une dichotomie spectrale corrélée à une dichotomie dynamique du jet. Pendant les états dures, le spectre X est dominé par une émission en loi de puissance émise par une couronne chaude dont les caractéristiques et la géométrie sont encore en question. Simultanément, des jets stables sont observés. Pendant les états mous, le spectre est dominé par l'émission thermique du disque et l'absence d'émission radio suggère la disparition des jets. Ces éruptions ne sont pas observables pour les trous noirs supermassifs présents aux centres des Noyaux Actifs de Galaxies (NAG) en raison de leur temps caractéristique bien plus long (millions d'années). On peut cependant associer la séquence d'états d'accrétion-éjection observés dans une binaire X aux images statiques associés à une séquence de NAG. Comme les binaires X, les NAG présentent une corrélation entre leur émission X dure et radio, montrant que le processus d'accrétion-éjection est universel.Le modèle de disque éjectant -- disque standard (JED-SAD pour Jet Emitting Disk -- Standard Accretion Disk, Ferreira et al. 2006, Marcel et al. 2018a, 2018b) est une configuration hybride composée dans les régions internes d'un disque éjectant hautement magnétisé (JED, Ferreira 1997) et dans les régions externes d'un disque standard (SAD, Shakura & Sunyaev, 1973). Des jets sont lancés depuis le disque magnétisé, extrayant le moment angulaire verticalement, augmentant la vitesse d'accrétion et produisant un flot d'accrétion à faible densité capable de reproduire le rayonnement X dure attendue de la couronne chaude. Le modèle JED-SAD explique naturellement le comportement spectral et dynamique observé dans les trous noirs accrétant. Succédant la thèse de Grégoire Marcel (2018), qui calcula l'équilibre thermique et le spectre de n'importe quelle configuration JED-SAD, ma thèse constitue la prochaine étape logique avec des ajustements directs du modèle aux observations.J'ai développé des tables spectrales du modèle JED-SAD que j'utilise pour ajuster les spectres UV et X des binaires X et des NAG. En premier lieu, j'applique le modèle aux observations dures de la binaire X GX 339-4, me permettant de contraindre l'évolution du flot d'accrétion. Je découvre deux comportements différents du flux radio avec l'évolution du flot d'accrétion, suggérant un possible changement de processus de lancement et/ou des propriétés d'émission du jet entre le début et la fin des éruptions. Dans une seconde partie de la thèse, j'applique le modèle JED-SAD à la corrélation non linéaire entre l'émission UV (provenant du disque standard) et l'émission X dure (provenant de la couronne chaude) observée dans les échantillons de NAG. Je me focalise sur l'échantillon de Lusso et al. (2020) et contrains l'espace des paramètres JED-SAD permettant de le reproduire. Je produis des échantillons simulés de NAG respectant la distribution dans le plan UV--X et présentant des distributions de masses de trous noirs et d'indice spectral X similaires à l'échantillon de Lusso et al. (2020). Les résultats montrent que plus les trous noirs sont massifs, plus bas est leur taux d'accrétion en unité Eddington. J'interprète cela comme un manque de matériel dans les NAG les plus massifs, empêchant d'alimenter le trou noir à un fort taux d'Eddington.
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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