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Variables Cataclysmiques : Accrétion - Ejection

Variables Cataclysmiques : Accrétion - Ejection. CVs : Accrétion - Ejection. Etoiles à neutrons. Naines blanches. Etoiles. Terre. Objets compacts : Facteurs d’échelle. Gravité ~ 1/R 2. Champ magnétique Conservation flux magnétique BR 2 =cste > B ~ 1/R2. Relation linéaire

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Variables Cataclysmiques : Accrétion - Ejection

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Presentation Transcript


  1. Variables Cataclysmiques : Accrétion - Ejection

  2. CVs : Accrétion - Ejection Etoiles à neutrons Naines blanches Etoiles Terre • Objets compacts : Facteurs d’échelle Gravité ~ 1/R2 Champ magnétique Conservation flux magnétique BR2=cste > B~ 1/R2 • Relation linéaire • Dispersion = génération/diffusion • Etoiles = 0.1-104 G • NB = 104-108 G (10kG-100MG) • EN = 109-1014 G Soleil

  3. CVs : Accrétion - Ejection CVs = naine blanche (NB) en système binaire Si évolution jointe des 2 étoiles (non capture), le temps d’évolution pour la formation de la NB impose : -> systèmes les + probables : NB + compagnon faible masse (0.1-0.8Mo) P orbitales typiques = (1-10) h pour accrétion (RLO) Taille Orbite = a = 1010-1011 cm Abondance : 10-6 pc3 dans la Galaxie, systèmes proches (100pc-1Kpc), visibles mv=12-18 Caractéristiques de l’accrétion : Naine blanche (NB) vs Etoiles à neutrons (EN) / Trous noirs(TN) Luminosité Efficacité Température (thermalisée BB) Taux d’accrétion typique (étoile faible masse/RLO) => Mdot = 10-10-10-8 Mo/an = 6 1015 – 6 1017 g/s NB EN TN M (Mo) R (km) Lx(erg/s) h T(therm) 1 1 1 10 000 10 3 10 33-35 1036-38 10 36-38 10-4 10-1 ~ 1 10 eV 1 keV > 1 keV

  4. CVs : Accrétion - Ejection Accrétion : Naine blanche (NB) vs Etoiles à neutrons (EN) • Géométrie de l’accrétion : pour une même masse centrale (1Mo), la matière « voit » le même potentiel • CVs parfaites analogues des LMXB (Low Mass X-ray Binaries) • Près de l’objet compact : • Facteur dominant : champ magnétique de l’objet compact • Capture au rayon « magnétosphérique » Rm • Rm / pression magnétique = pression dynamique du gaz (accrétion sphérique) avec moment magnétique Naine Blanche NB Non-magnétique Magnétique Etoile à neutrons EN Non-magnétique Magnétique • B 104 107 • 1031 1034 Rm 109 5 1010 • B 109 1012 • 1027 1030 Rm 5 106 108

  5. CVs : Accrétion - Ejection Naine blanche Lx=1033-35 erg/s • « Polars » magnétique CV • « Normal » non-magnétique CV B=107 G, m= 1034, rm~ a B=104 G, m= 1031, rm~ RNB Etoiles à neutrons Lx=1036-38 erg/s • Pulsar accrétant • « LMXB » binaire X faible masse B=1012 G, m= 1030, rm~ (100-1000) RNS<< a B=109 G, m= 1027, rm~ (1-10) RNS

  6. CVs : Accrétion - Ejection • CV types • Non-magnétique • B< (0.1-1) MG • Couche limite EUV • IPs (polaires intermédiaires) • B= (1-10) MG • Non-synchronisées • Pspin<<Porb • Colonne (rayons X) • Polaires • B= (10-100) MG • Synchronisées • (freinage magnétique) • Pspin=Porb • Colonne (rayons X)

  7. CVs : Accrétion - Ejection Naine blanche magnétique (Polars) > colonne d’accrétion • Choc au dessus de la surface • Energie cinétique convertie dans le choc • Rayonnements (post-choc) • Bremsstrahlung (Tsh) > rayons X durs (keV) • Cyclotron > IR-optique • Effet de chauffage > EUX – X mous (eV) • Colonne = milieu optiquement mince • Grandeurs typiques • h ~ 108cm (1000km) A= 1016cm (f=10-3=0.1%) Choc fort discontinuité vff > vff/4 (m poids mol. moyen =0.615 solaire) X-durs

  8. CVs : Accrétion - Ejection • Rayonnements concurrents : freinage vs cyclotron • accrétion, densité fortes -> rayt freinage (X-durs) • champ fort -> cyclotron (IR-optique) • IP = rayonnement de freinage seul (champ plus faible) • CVs magnétiques : spectre Lamb & Masters. (1979) B= 2 107G Lx=1032-1034erg/s AM Herculis : Rothschild et al. (1979) Débat : rapport Lxmous/Lxdur+Lcyc ~1 attendu

  9. CVs : Accrétion - Ejection Polars IPs • CVs : INTEGRAL sources INTEGRAL 2nd catalogue, Bird et al. (2006) ApJ 636, 765 209 sources 8 CVs confirmées • 8 CVs confirmées (E> 20keV) = 4% • 1 DN non magnétique (SS Cygni) • 1 Polar (RX1940*) • 6 IPs (V1223 Sgr, V2400 Aql, V709Cas, RX1548, RX1730*, RX2133*) • *Découvertes à hautes énergies par INTEGRAL • Nouvelle population • CVs = 105-106 sources dans la Galaxie • La plupart sont des IPs • B faible : Bremsstrahlung >> Cyclotron • sous estimation précédente de la température • - par les observations à plus basse énergie (XMM) • par les modèles à température uniforme • gradient de température dans la colonne • (température élevée sous le choc) New IGR sources

  10. CVs : Accrétion - Ejection V709 Cas / INTEGRAL Falanga, Bonnet-Bidaud et Souleimanov (2005) A&A, 444, p.561 Source détectée près du pulsar milliseconde IP (Pspin= 312 s / Porb= 5.34 h) Détectée jusqu’à 100 keV JEM-X + ISGRI Ajustement spectral : Plasma émission (mekal / continu+raies) -si température uniforme T=25 keV -si multi-température Tmax=42 keV Mesure de la masse (NB relation M-R) T=42keV  M=0.86Mo Si M=1.2Mo  T=100 keV !! Sources plus hautes énergies attendues

  11. CVs : Accrétion - Ejection Rapports de rapport de raies « anormaux » : raies d’émission formées par photoionisation découverte (Bonnet-Bidaud & Mouchet 1987 A&A188, p.89) polaire BY Cam • Abondances CNO AM Her (Hopkins UT Navette) BY Cam data FUSE 2003 + IUE (1985) Orgine ? - condition d’ionisation vs abondances Test avec un modèleréaliste de colonne + code photo-ionisation  abondances Nx25, C/8, O/2 (Mouchet, Bonnet-Bidaud et al. 2003 A&A401, p.1071 ) explosion de nova ???

  12. The accretion column Dipole accretion : column section A = Acap (r/R)3 cm2 M,R = white dwarf free-fall V = 5.2 108 (M)0.5. (R )-0.5.(r/R) -0.5 cm/s density n = 1.2 1015 Mdot. (Acap) -1.(M)-0.5. (R )0..5.(r/R) -2.5 cm –3 accretion rate Mdot = 7.5 10 16 (M) –1 (R ) (Lx/1034) g/s Slab section dx / n(x+dx) = n(x)/4 assumed homogeneous dy = dz = Acap. (x) 3/2 assumed Acap = 10 16 cm2 direct sideways illumination across slabs CLOUDY code (v.96) dz dy dx Mouchet, Bonnet-Bidaud et al. 2003 A&A401, p.1071

  13. CVs : Accrétion - Ejection • Abondances Bonnet-Bidaud & Mouchet (2003) IAU Coll. 190

  14. CVs : Accrétion - Ejection Oscillations QPOs : Polars découverte Middleditch (1982) 5 polaires : AN UMa, V834 CEn, EF Eri, VV Pup et BL Hyi VLT (May 2005): VV Pup QPO = 1.5 sec Fraction flux optique faible : 1-3% ULTRACAM 3-canaux simultanés 3 (1024x1024 CCDs) 0.001 s expositions avec temps mort négligeable (0.0001 s) (Instrument Visiteur : Univ Sheffield UK) Oscillation hauteur du choc Langer et al. (1982) Problème : conditions d’excitation des QPOs? amortissement cyclotron Non détecté en rayons X ?

  15. CVs : Accrétion - Ejection V VKepler Vrotation éjection accrétion R Ejection • Novae > Réactions nucléaires explosives à la surface de NB • fréquence observée 4/an (réel 40-80 /an) • récurrence ~1000 ans • Dm = 6-13 mag Ledd=(2-4) 104 Lo • Perte de masse (~sphérique) (1-30) 10-5Mo • Rotation • « Propeller effect » : effet hélice • rayon de co-rotation (Rco) vs rayon « magnétosphérique » Rm (capture) R=Rco  VKepler = Vrot Rm Rm < Rco Vkepler >> Vrot : accrétion Rm > Rco Vkepler << Vrot : éjection centrifuge Rco Rm < Rco Rm > Rco

  16. CVs : Accrétion - Ejection orbite • AE Aquarii Porb = 9.88hr compagnon K4-K5 (M=0.6Mo) évolué pour R* > RLO Pspin = 33 sec «  rotateur rapide » Rco = 1.5 109cm vs Rm= 1.3 1010cm (sphérique) : Rm >> Rco accrétion inhibée  éjection Ralentissement Pdot= + 5.6 1014 s/s > Lrot = 6 x1033 erg/s Polarisation B~1 MG > IP (polaire intermédiaire) Faible fraction accrétée Lx = 1031 erg/s (température superposition T= 0.1 à 4.5 keV XMM ) Explosions radio Lrad= 1029(d/100pc) erg/s, visible-rayons X (facteur 10), TeV source ? Modèle : collisions de paquets de plasma Accélération par « pompage magnétique » Wynn et al. MN 286, 436 (1997)

  17. CVs : Accrétion - Ejection orbite 0.6 Mouchet, Bonnet-Bidaud et al. (2004) IAU Col. 190 • AE Aqr - FUSE (Far UV) Vitesses radiales des raies de haute excitation Origine : plasma au passage proche de la NB Wynn et al. (1997)

  18. CVs : Accrétion - Ejection • Etoiles Symbiotiques Parents proches des CVs Modèle actuel : système binaire : compagnon géante rouge ( type M) + Naine blanche (système semi-détaché, accrétion par vent (pulsation étoile M ?) Ex : CH Cygni (M5-M7 géante) Orbite = 760 jours ou 5500 jours (triple system ?) Raies d’émission indiquent éjection avec une vitesse projetée de V ~ 500-1000 (d/200pc) km/s Source radio étendue et collimatée (VLA/MERLIN) > précession d’un jet radio période 6519 jours, angle précession 35° Crocker et al. (2002)

  19. CVs : Accrétion - Ejection • Bilan • CVs : sources X plus faibles que les sources binaires X à étoiles à neutrons/trous noirs • mais beaucoup plus nombreuses !! • Sources de hautes énergies (E>20keV) pour les CVs magnétiques • > fraction non-négligeable du fond diffus galactique ? • Systèmes proches facilement observables toutes longueurs d’onde • Laboratoire cosmique idéaux pour • étude de l’interaction « accrétion-champ magnétique » • mécanisme de production d’énergie en champs forts • mécanisme d’éjection par interaction magnétique

  20. CVs : Accrétion - Ejection • Références • Brian Warner (1995): “Cataclysmic Variable Stars” • (Cambridge University Press, 1995, ISBN: 0521412315) • Coel Hellier (2001): “CVs - How and Why They Vary”(Praxis Publishing, 2001, ISBN: 1852332115) • Frank, King & Raine (2002), Accretion Power in Astrophysics(Cambridge University Press, 2002, 3rd edition) • North American Workshops on Cataclysmic Variables • Magnetic Cataclysmic Variable Workshops • IAU Colloqium 190 (2004) • (Astron. Soc. Pacific Conf. Ser., 2004, vol. 315)

  21. CVs : Accrétion - Ejection Diapo 15 cropper + variabilité diagram • CVs Variabilité • Cataclysmic Variables (non-magnetic) • Novae large eruptions 6–9 magnitudes • Recurrent Novae previous novae seen to repeat • Dwarf Novae regular outbursts 2–5 magnitudes • SU UMa stars occasional Superoutbursts • Z Cam stars show protracted standstills • U Gem stars all other DN • Nova-like variables • VY Scl stars show occasional drops in brightness • UX UMa stars all other non-eruptive variables • Cataclysmic Variables (non-magnetic) • - Intermediate Polars/DQ Her stars • - Polars/AM Her stars

  22. CVs : Accrétion - Ejection

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