Emission multi-longueur d’onde des jets relativistes

Student : Mathias PEAULT

Advisor : Julien MALZAC

Start : Octobre 2016

Group : GAHEC

Contexte:
Les trous noirs qui accrétent la matière autour d’eux peuvent former des jets de matière se déplaçant à des vitesses proches de celle de la lumière. Ces jets relativistes sont observés aussi bien dans les trous noirs de masse stellaires (~10 M☉; microquasars, sursauts gamma), dans les trous noirs super-massifs (~10^6-10^9 M☉;noyaux actifs de galaxies), ainsi que dans les trous noirs de masse intermédiaires (~10-10^5 M☉; ULX). Ces jets se propagent à de très grandes distances du trou noir et y déposent de grandes quantités d’énergie qui peuvent avoir un effet important sur l’environnement du trou noir. Par exemple, l’activité des trous noirs super-massifs au centre des galaxies semble jouer un rôle important dans l’évolution de leur galaxie hôte. La source d’une telle énergie est bien identifiée: l’énergie gravitationnelle du gaz accrété. Cependant les mécanismes conduisant à la formation de ces jets demeurent mystérieux et de nombreuses questions demeurent portant notamment sur la puissance emportée par le jet et sur sa composition (leptons vs hadrons). Les observations montrent que ces jets émettent sur l’ensemble du spectre électro-magnétique, des ondes radio aux rayons gammas. Ce rayonnement est produit par des particules très énergétiques accélérées dans le jet. La compréhension de ces phénomènes d’éjection ainsi que leurs effets sur l’environnement des trous noirs constituent un enjeu majeur de l’astrophysique moderne.
Le travail de thèse:
Le but de la thèse sera d’aborder ces questions par la modélisation de l’émission des jets. Depuis quelques années un modèle de chocs internes à été développé à l’IRAP (Malzac 2013, 2014) pour simuler l’émission multi-fréquences des jets relativistes. Ce modèle a été initialement développé pour les jets des systèmes binaires X. Il est actuellement le seul modèle permettant de faire des prédictions non seulement sur les propriétés spectrales mais également la variabilité des jets. Nos premières comparaisons aux observations de microquasars indiquent qu’il reproduit bien les données (Drappeau et al. 2015). Il s’agira d’améliorer le modèle numérique en introduisant de nouveaux processus radiatifs, et de généraliser le modèle à d’autres types de jets tels que ceux des trous noirs de masses intermédiaires et super-massifs ou même ceux des sursauts gamma. Il s’agira également de comparer le modèle aux données de manière systématique, et de le tester sur un grand nombre d’observations d’objets compacts de masses et taux d’accrétion de masse différents. La modélisation des émission très variables observées dans les jets à toutes les échelles nous permettra de contraindre les conditions physiques régnant dans les jets relativistes, de mieux comprendre les mécanismes de dissipation d’énergie dans ces jets, d’estimer plus précisément la puissance dissipée sous forme cinétique, de comprendre les similitudes et différences observées entre jets produits par des trous noirs de différentes masses. Cela permettra également de mieux comprendre la connexion profonde entre l’état du flot d’accrétion et les propriétés du jet ainsi que leur évolution conjointe avec le taux d’accrétion de masse sur le trou noir.

Perspectives:
Au cours de la thèse le doctorant acquerra une solide formation dans le domaine du calcul numérique, ainsi que dans les techniques d’analyse de données d’instruments opérants à différentes longueurs d’ondes. L’étude des jets relativistes est un domaine de recherche qui est amené à rendre de l’ampleur dans les années à venir avec la mise en service d’un certain nombre de grands instruments qui vont permettre de suivre l’activité des jets avec une précision inégalée. En particulier, la physique des jets est au coeur des objectifs scientifiques de projets comme le satellite SVOM (infrarouge, visible, rayons X-durs) ou le réseau de télescopes CTA (rayons gamma) qui seront tous deux en opération dans les années 2020 et dans lesquels la France (et l’IRAP) ont une participation importante.

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