Recherche de populations de trous noirs non identifiées dans les archives en rayons X et multi-longueurs d’onde. Application aux trous noirs de masse intermédiaire

Soutenance de thèse de Hugo Tranin (Salle de Conférence)

Résumé de la thèse :

Les trous noirs supermassifs (SMBH, 10^5-10^10 masses solaires) sont observés au centre de nombreuses galaxies massives. Pourtant, leur mécanisme de formation reste incertain. Une croissance rapide est nécessaire pour expliquer certains noyaux actifs de galaxies (AGN) vus à haut redshifts, comme une accrétion rapide (au-delà de la limite d’Eddington) sur des trous noirs de masse intermédiaire (IMBH, 10^2-10^5 masses solaires), ou la fusion de ces trous noirs. Une partie de ces IMBH pourrait avoir eu une faible croissance et se retrouver encore dans l’Univers local, par exemple sous forme de galaxies naines actives. Cependant, à ce jour, les preuves de l’existence de ces IMBHs restent rares.

À l’inverse, les trous noirs de masse stellaire sont présents dans la Voie lactée et les galaxies proches. Ils sont souvent détectés dans des binaires X (XRB), composées d’un objet compact – étoile à neutrons ou trou noir – qui accrète d’une étoile compagnon. Les sources X ultralumineuses (ULX), qui sont peut-être une version lumineuse des XRBs, seraient alimentées par l’accrétion super-Eddington sur des objets compacts de masse stellaire, mais le plus souvent sa nature et le mécanisme exact sont inconnus. Certaines sources X hyperlumineuse (HLX, défini comme un ULX ayant L_X>10^41 erg/s) pourraient être des bons candidats pour des IMBHs.

L’émission de rayons X étant une signature importante des systèmes accrétants, les relevés en rayons X sont l’endroit idéal pour trouver de nouveaux trous noirs. Les observatoires modernes en rayons X Swift, XMM-Newton et Chandra ont détecté environ un million de sources ponctuelles qui n’ont pas encore été identifiées. Avec ces télescopes et ceux à venir, une classification automatisée des sources de rayons X devient indispensable. Elle pourrait notamment réduire la part de contaminants qui sont souvent un frein dans l’étude des échantillons d’ULXs, HLXs et galaxies naines actives.

Dans cette thèse, je développe une classification automatisée et probabiliste des sources de rayons X. Les catalogues Swift-XRT, XMM-Newton et Chandra sont corrélés entre eux et avec des catalogues optiques et infrarouges, ainsi que le recensement complet de galaxies GLADE. A partir de ces propriétés spatiales, spectrales, photométriques et temporelles, la classification identifie entre autres des populations d’AGN, d’étoiles et de XRBs, et peut être optimisée pour une classe d’intérêt. Les AGN et les étoiles sont classifiés avec précision, mais les autres classes ont de petits échantillons d’entraînement limitant la classification. Une expérience de science participative (CLAXSON) est proposée pour les augmenter.

La classification est ensuite appliquée aux sources recouvrant les galaxies GLADE. 1901 candidats ULX sont identifiés, probablement l’échantillon le plus grand et propre de la littérature actuelle. Leurs distributions spatiale, spectrale et dans différents environnements sont étudiées. J’analyse leur fonction de luminosité et confirme la présence d’une cassure de la loi de puissance à L_X~10^40 erg/s pour les galaxies spirales. Les candidats HLX sont inspectés et de nombreux contaminants éliminés grâce à leur redshift. Les 191 candidats HLX restants sont comparés aux ULXs, montrant de légères différences peut-être dues à une gamme de masse d’accréteur différente.

J’obtiens enfin 91 candidats galaxies naines actives. J’analyse la fraction active des galaxies dans différents intervalles de masse de galaxie et de luminosité limite, puis j’estime la fraction intrinsèque abritant un trou noir. En supposant que ces candidats AGN et HLX sont effectivement des trous noirs, leur distribution de masse de trou noir révèle une grande fraction d’IMBHs. J’analyse comment cette masse se compare à la masse de la galaxie. Des différences sont observées entre ces deux types de candidats et interprétées en termes de mécanismes de formation des IMBHs.

Composition du jury de thèse :

• M. Mark ALLEN, Rapporteur
• Mme Marta VOLONTERI, Rapporteure
• M. Jörn WILMS, Examinateur
• M. Olivier GODET, Examinateur
• Mme Mar MEZCUA, Examinatrice
• M. Jean-Luc ATTEIA, Examinateur
• Mme Natalie WEBB, Directrice de thèse