observations and modeling of disk winds in galactic black holes
Observations et modélisation des vents dans les disques des trous noirs galactiques
Résumé
Astrophysical Black Holes are not just among the most fascinating objects in the universe: they have grownalong with it since the very beginning, shaping its constituents from stars to galaxies, and beyond. One ofthe most important goals of modern astrophysics is thus to understand their growth mechanisms. Themain process of this evolution, governed by gravitational forces, is called “accretion”, and in the case ofBlack Holes, the extreme physics that take place in their vicinity lead to powerful ejections of matter andenergy. They greatly hamper and fundamentally change the structures by which Black Holes accrete mat-ter, called accretion disks. The slower and more massive type of ejections, dubbed “winds”, were onlydiscovered half a century ago, and for now remain very poorly understood. The focus of this work is toimprove the understanding of winds in Black Hole Low Mass X-ray Binaries (BHLMXBs), a subset of thesmaller, stellar mass Black Hole population. For this, I used two complementary approaches: data analysisand modeling.A decade ago, the first and only global study of BHLMXB wind properties (Ponti et al. 2012) used theirmain signatures, blueshifted absorption lines in the X-rays, to highlight how these winds were connectedto the evolution of the accretion processes in these objects. Since then, the observational landscape be-came much more complex, and a new large-scale study was direly needed. Thus, after developing tools todetect and characterize these signatures in a systematic manner for a large sample of objects, I analyzedall publicly available observations of the two X-ray instruments most sensitive to lines, XMM-Newton’sEPIC and Chandra’s HETG. With ten times more sources than before and a very thorough line detectionprocess, I was able to refine previously found dichotomies, showing that the detection and properties ofthese absorption lines are indeed very dependent on both the structure of the accretion disk, and the view-ing angle of the source. These results also allow for a very important comparison with more exotic winddetection, and the colder outflows recently detected in other energy bands.Thanks to this first work, I identified the most promising sources for a more thorough analysis, withnew and unpublished results. I thus followed with a very in-depth study of an archetypal wind source,4U1630-47, with a one-of-a-kind sampling of its wind evolution. Combining the data of seven different X-ray telescopes, I was able to probe an unmatched 20 years of wind evolution. This allowed to quantify theevolution of the absorption lines over large time scales, with a near complete outburst coverage. More-over, the hard X-ray coverage removes the degeneracy between the illumination of the source and theabsorption line evolution, which allows to distinguish several structures where the outflow itself remainsconstant among different outbursts. In parallel, I identified several outliers in recent outbursts, whosedetailed analysis reveals both complex dipping structures and very fast evolution of ionized absorbers onunusually short timescales.In parallel, IPAG has developed solutions of accretion-ejection structures for magnetized disks, namedJet Emitting Disks, for the last two decades, and recently, a low-magnetization subset of solutions provedcapable of creating outflows that could match observations. Building on previous codes developed inChakravorty et al. (2016); Datta et al. (2024), I developed a framework that from these theoretical models,computes synthetic spectra at high resolution for a wide range of physical parameters, in the form of tablesthat can be directly fitted to observations. This allows to study how the line properties are linked to thephysical properties of the outflow, and in the future, and to prepare for comparisons with both previouslyidentified observations and future high-resolution data that will become available thanks to the XRISMtelescope.
Les Trous Noirs astrophysiques ne sont pas seulement parmi les objets les plus fascinants de l’univers : ils ont grandi avec lui depuis ses débuts, façonnant ses constituants, des étoiles aux galaxies, et au-delà. L’un des objectifs les plus importants de l’astrophysique moderne est donc de comprendre leurs mécanismes de croissance. Cette évolution, gouvernée par les forces gravitationnelles, invoque souvent des processus dits "d’accrétion », et dans le cas des trous noirs, s’accompagne de processus extrêmes donnant lieu à de puissantes éjections de matière et d’énergie. Ces dernières entravent et modifient fondamentalementl es disques d’accrétion via lesquels les trous noirs évoluent. Les "vents", le type d’éjection plus lent et leplus massif, ont été découverts récemment et restent encore mal compris. Cette thèse vise à améliorer la compréhension des vents dans les binaires X à faible masse à trous noirs (BHLMXB), un sous-ensemble de trous noirs de masse stellaire. Pour cela, j’ai utilisé deux approches complémentaires : l’analyse desdonnées et la modélisation.Il y a près de dix ans, la première et unique étude globale des propriétés des vents de BHLMXB (Pontiet al. 2012) a utilisé leurs principales signatures, des raies d’absorption décalées vers le bleu en rayons X,pour lier l’évolution des vents à celle des processus d’accrétion. Depuis lors, le paysage observationnel est devenu beaucoup plus complexe, et requérait une nouvelle étude à grande échelle. J’ai donc analysé toutes les observations d’archive des deux instruments les plus sensibles aux raies en rayons X, l’EPICde XMM-Newton et l’HETG de Chandra. Cela m’a permis d’affiner les dichotomies précédemment trou-vées, montrant que la détection et les propriétés de ces raies dépendent à la fois de la structure du disqued’accrétion et de l’angle de vision de la source. Ces résultats permettent également une comparaison avecles détections de vents plus exotiques, et les éjections dites "froides" récemment détectées à plus basseénergie.Ce premier projet a permis d’identifier les sources les plus prometteuses pour une analyse plus ap-profondie, et j’ai poursuivi avec une étude détaillée d’une source à vent bien connue, 4U1630-47, dont lacouverture observationnelle est inégalée. En combinant les données de sept télescopes X différents, j’aipu sonder une évolution des vents sur une durée inédite de 20 ans. Cela a permis de quantifier l’évolutiondes raies d’absorption sur de grandes échelles de temps, mais aussi d’avoir une couverture quasi complète des éruptions. En outre, les observations en rayons X durs lèvent la dégénérescence entre l’illuminationde la source et l’évolution des raies, permettant de distinguer plusieurs structures au sein desquelles leséjections restent similaires entre plusieurs éruptions. J’ai aussi identifié plusieurs anomalies au cours deséruptions récentes, dont l’analyse détaillée révèle à la fois des structures d’obscuration complexes et desabsorbeurs ionisés évoluant sur des échelles de temps inhabituellement courtes.En parallèle, l’IPAG a développé des solutions de structures d’accrétion-éjection pour disques mag-nétisés, appelés Jet Emitting Disks, depuis deux décennies. Récemment, un sous-ensemble de solutions à faible magnétisation s’est avéré capable de créer des éjections pouvant correspondre aux observations.En m’appuyant sur les codes précédemment développés dans Chakravorty et al. (2016); Datta et al. (2024),j’ai donc développé un outil, qui, à partir de ces modèles théoriques, calcule des spectres synthétiques àhaute résolution pour une large gamme de paramètres physiques, sous forme de tables pouvant être directement comparées aux observations. Cela permet d’étudier le lien entre les propriétés des raies et celles des éjections, et de préparer des comparaisons, déjà avec les observations précédemment identifiées, et les données à haute résolution qui seront fournies par le télescope XRISM.
Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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