Etude de l`émission de haute énergie de la région du Centre

PROPOSITION DE THESE 2010
Master Recherche M2 : Spécialité Astronomie et Astrophysique
Spécialité Noyaux, Particules, Astroparticules, Cosmologie
• Nom du proposant : GOLDWURM ANDREA
• Thème scientifique : Accrétion et éjection dans les objets compacts. Accélération, interaction, propagation
et rayonnement de particules relativistes. Analyse de données X et gamma.
• Laboratoire d’accueil (nom du laboratoire, adresse, téléphone, e-mail, fax et code d'unité) :
LEPCHE du Service d’Astrophysique / IRFU / DSM / CEA – Saclay,
Orme de merisiers, Bat. 709, 91191 – Gif sur Yvette, Tel: 0169088669 Fax: 0169086577
et
Laboratoire Astroparticule et Cosmologie (APC) – Paris (UMR 7164)
10, rue Alice Domon et Léonie Duquet, 75205 – Paris Cedex 13, Tel: 0157276058 - France
E-mail: [email protected]
• Description du sujet proposé (titre, résumé, contexte, contenu et méthodes) :
Titre Etude de l’émission de haute énergie de la région du Centre Galactique : activité du trou noir
supermassif central et de son environnement.
Title Study of the high-energy emission of the Galactic Centre region: activity of the super-massive black
hole and its environment.
Résumé
Dans le cadre d’un vaste projet de recherche sur le centre galactique (CG), nous proposons de effectuer un
travail d’analyse et interprétation de la base de données X et gamma (XMM, INTEGRAL, Chandra) déjà
disponibles et des données qui seront obtenus en 2010 et 2011, pour étudier plusieurs sources nonthermiques de la région. L’objective prioritaire est de comprendre l’activité éruptive du trou noir
supermassif du CG, Sgr A*. Les observations multi-longueur d’onde (gamma, X, infrarouge, sub-mm et
radio) de Sgr A* prévues en 2010-2011 nous permettront de caractériser les processus d’émission
(synchrotron, self-Compton, Compton externe) des faibles, mais fréquents, sursauts X et infrarouges de
Sgr A* et de modéliser proprement l’expansion du milieu radiatif. L’étude de l’émission X et gamma des
nuages moléculaires de la région, et en particulier de leur variation temporelle, permettra par contre
d’évaluer l’activité éruptive de Sgr A* dans le passé, qui a probablement laissé des traces dans son
environnement proche.
Abstract
In the frame of a large research project on the Galactic Center (GC), we propose to carry out the analysis
and interpretation of the available X/gamma-ray data base (XMM, INTEGRAL, Chandra), along with the
additional data that will be obtained in 2010 and 2011, in order to study several non-thermal sources of the
region. The main aim is to understand the flaring activity of the super-massive black hole at the GC, Sgr
A*. The Sgr A* multi-wavelength observations (gamma, X, infrared, sub-mm and radio) foreseen in 20102011 will allow us to characterise the emission processes (synchrotron, self-Compton, external Compton)
of the weak, but frequent, Sgr A* X-ray/IR flares and to properly model the emitting plasma expansion.
The study of the X/gamma-ray emission of GC molecular clouds, and in particular of their temporal
variation, will allow us to evaluate, on the other hand, the outburst activity of Sgr A* in the past, that have
likely left marks in its close environment.
Contexte
La région (~ 4º × 2º) du centre de notre Galaxie représente un véritable laboratoire pour l’astrophysique
des hautes énergies et l’étude des processus à l'origine de l’émission non-thermique X et gamma:
l’accrétion de matière au voisinage de l’horizon d’objets ultracompacts (trous noirs et étoiles à neutrons) et
l’accélération de particules aux énergies relativistes. En quelque degrés carrés plusieurs objets
remarquables, tous sources de rayonnement non-thermique, se chevauchent et interagissent mutuellement.
Restes de supernova dont les chocs se propagent dans les nuages moléculaires les plus denses de la
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Galaxie, plasmas chauds dont l’origine reste inconnue, filaments radio témoins de l'accélération de
particules dans les champs magnétiques de la région, puissants vents stellaires des amas d’étoiles jeunes, et
enfin, au véritable centre dynamique de la Galaxie, le trou noir (TN) supermassif (~ 4 106 M) associé à
la source non-thermique radio-X-infrarouge Sgr A* (Fig. 1).
Notre équipe a développé au cours des 15 dernières années un programme d’étude de l’émission à haute
énergie (X-gamma) de la région qui, à partir de données SIGMA/GRANAT (30-1000 keV), des
observation X (0.5-10 keV) de XMM-Newton et gamma d’INTEGRAL (3 keV-10 MeV) a conduit à
nombreux résultats importants, en particulier la définition de limites supérieures sur l’émission gamma de
Sgr A* [1], la découverte et caractérisation de sursauts X de Sgr A* avec XMM [2,3] et finalement la
détection d’une source gamma INTEGRAL coïncidente avec Sgr A* [4,5] (Fig. 1). Les résultats les plus
récents (obtenus par G. Trap dans son travail de thèse 2007-2010 basé principalement sur les données des
campagnes d’observation multi-longueur d’onde 2007-2009 avec XMM sur Sgr A*) sont la caractérisation
du mécanisme d’émission du deuxième plus brillant sursaut X de Sgr A* [6] (Fig. 2) et la mise en évidence
d’une expansion du milieu radiatif responsable des sursauts de Sgr A* enregistrés en 2009 [7]. L’étude de
l’émission X [8] et gamma [9] en provenance des nuages moléculaires de la région a permit de découvrir
des variations temporelles qui peuvent être expliqués par l’hypothèse que Sgr A* a subit, dans le passé
proche, une éruption très intense d’émission de haute énergie.
Ces résultats, bien que remarquables laissent plusieurs questions ouvertes que nous souhaitons étudier dans
les mois et années à venir avec la base de données à disposition et un large programme de nouvelles
observations. Quelle est l’origine des sursauts X/IR de Sgr A*, sont ils du à un jet relativiste ou à un disque
d’accrétion chaud et très magnétisé ? Comme modéliser l’expansion qu’on observe lors des sursauts de Sgr
A* ? Quelles contraintes sur les propriétés (masse, spin) du trou noir massif pouvons-nous imposer ?
Quelle est la nature de la source INTEGRAL ? Est ce que Sgr A* a effectivement subit une forte éruption
dans le passe ? Comment s’expliquerait-elle ?
Pour répondre à ces questions nous avons préparé (outre la ré-analyse complète et détaillée des données
déjà à disposition) un plan d’observations qui prévoit :
• Une nouvelle campagne multi longueur d’onde impliquant des observations corrélées avec XMMNewton, INTEGRAL, les télescopes du VLT pour l’infrarouge proche, le télescope APEX en submm et le VLA en radio, programmées pour Aout 2010 et Avril 2011.
• Une série d’observations avec Chandra et INTEGRAL prévues entre 2010 et 2012 qui visent à
étendre dans le temps les observations de Sgr B2 et d’autres nuages pour l’étude de la variation de
leur émission diffuse à 6.4 keV et en gamma.
Travail de thèse
Nous proposons un travail de thèse basé sur l’analyse complète des anciennes et de nouvelles données de
haute énergie sur la région du centre galactique à notre disposition. On envisage les étapes suivantes :
1) Etude du sujet, analyse des résultats précédents et de la base de données disponible.
2) Analyse détaillée des nouvelles données XMM (2010-2011) sur Sgr A* dans lesquelles nous espérons
déceler des nouveaux sursauts X du trou noir et en mesurer le spectre a large bande (des fréquences
radio aux gammas). Ces mesures peuvent fournir des contraintes sur le spin et la masse du TN, alors
que la comparaison avec les mesures IR/submm/radio nous permettra de modéliser les mécanismes
d’émission (synchrotron, inverse Compton) et les processus de refroidissement (expansion adiabatique
ou perte d’énergie radiative) en jeu.
3) Analyse complète de l’ensemble des données INTEGRAL de la région du pour extraire les cartes
gamma du CG les plus précises jamais réalisées. Les routines standard de traitement devront être
complétées par des outils d’analyse fine nécessaires pour l’étude de l’émission diffuse locale et des
structures spécifiques. Comparaison des cartes et spectres INTEGRAL avec ceux de XMM et
interprétation astrophysique de l’ensemble des mesures pour étudier le site d’accélération des
particules, la propagation et le mécanisme radiatif en jeu.
4) Analyse des nouveaux données X (XMM et Chandra) de la région pour caractériser l’émission X
diffuse et notamment étudier la distribution et la variabilité de la raie de fluorescence à 6.4 keV du fer
neutre, qui marque l’écho d’une éruption ancienne de Sgr A*. La comparaison des données avec la
distribution de la matière moléculaire nous permettra d’étudier l’activité passée du TN supermassif.
5) Evolutions possibles : étude d’autres types d’objets du champ (e.g. systèmes binaires X, voir par
2
exemple [10]), d’autres type de données de haute énergie (Swift, Fermi, Suzaku), modélisation des
processus physiques en jeu en liaison avec les équipes théoriques de notre collaboration (Prof. Fulvio
Melia de l’université d’Arizona, Dr. Maurizio Falanga ISSI-Berne).
Méthodes et moyens
Il s’agit d’un travail d’analyse et interprétation de données originaux de haute énergie. Les données
INTEGRAL et les pipelines d’analyse sont déjà disponibles et installés au SAp/CEA-Saclay et à l’APCParis. Notre équipe est spécialiste des méthodes d’analyse de données de télescopes à masque codé et en
particulier du télescope IBIS d’INTEGRAL. Une très bonne connaissance des données et des outils
d’analyse XMM et HESS est aussi disponibles dans les équipes du CEA et de l’APC.
Encadrement, collaborations e perspectives
La direction est assurée par A. Goldwurm (DR au SAp/IRFU/CEA et APC, habilité à diriger des
recherches, thèses déjà dirigées: 4, autres thèses en 2010: 0) et elle s’appuiera sur la collaboration de Regis
Terrier (CR du CNRS à APC) et des équipes INTEGRAL au CEA et à l’APC.
Une collaboration internationale sur la thématique du centre galactique est déjà en place et elle inclut, entre
autres, G. Bélanger de l’ESAC à Villafranca, ES (ESA de XMM et INTEGRAL), F. Melia de l’université
d’Arizona, US et M. Falanga de l’ISSI à Berne, CH (théorie), F. Yusef-Zadeh de l’université Northwestern
à Evenston, US (obs. radio et sub-mm), les groupes du MPE à Garching, D (obs. infrarouge avec VLT,
obs. X avec XMM) et de l’université de Leicester, UK (émission diffuse X).
Le candidat aura acquis une vaste expertise dans le domaine du traitement et de l’interprétation de données
X et gamma et pourra s’insérer aisément dans les équipes scientifiques qui développent de programmes
scientifiques dans les domaines de l’astrophysique des hautes énergies et de l’astroparticule.
Bibliographie
[1] Goldwurm, A., et al., 1994, Nat, 371, 589
[2] Goldwurm, A., et al., 2003, ApJ, 584, 751
[3] Bélanger, G., et al., 2005, ApJ, 635, 1095
[4] Bélanger, G., et al., 2004, ApJ, 601, L163
[5] Bélanger, G., et al., 2006, ApJ, 636, 275
[6] Trap, G., et al., 2009, A.S.R., in press (arXiv:0910.0399)
[7] Trap, G., et al., 2010, in prep
[8] Ponti, G., et al., 2010, in prep.
[9] Terrier, R., et al., 2010, in prep.
[10] Trap, G., et al., 2009, A&A, 504, 501
0.0°
XMM-Newton GC Survey
0.0°
Sgr A
INTEGRAL GC Survey
0.3-9 keV
20-40 keV
Sgr B2
1.0°
0.0°
359.0°
Fig. 1 Le centre de notre galaxie (2° × 1.5°) vu par XMM- Fig. 2 Haut : Images X (2-10 keV) de XMM*
Newton dans la bande 2-10 keV (haut) et par INTEGRAL Newton avant et pendant le sursaut de Sgr A d’avril
2007. Bas : Courbe de lumière Integral, XMM, VLT
(IBIS/ISGRI) dans la bande 20-40 keV (bas). Ref : [5]
(NIR), VLT (FIR) du même sursaut. Ref : [6]
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