Projet ANR-12-BS05-0009 – CHAOS : Caractérisation des processus d’accretion-ejection dans les systèmes binaires compacts
Programme : Blanc - SIMI 5 - Physique subatomique et théories associées, astrophysique, astronomie et planétologie (Blanc SIMI 5)
Année de financement : 2012
Coordinateur du projet : Pierre-Olivier PETRUCCI (Institut de Planetologie et d'Astrophysique de Grenoble)
Partenaires : Astrophysique, Interprétation - Modélisation, Paris-Saclay; Institut de Planétologie et Astrophysique de Grenoble; Institut de Recherche en Astrophysique et Planétologie
Montant : 487187.0 euros
Date de début : 2013
Durée : 48 mois
Résumé : Caractérisation des processus d’accretion-ejection dans les systèmes binaires compactsComprendre les processus physiques se déroulant dans l'environnement des trous noirs est l'un des défis majeurs de l'astrophysique du 21ème siècle car très peu de choses sont encore connues à ce sujet. Ce travail de recherche est au coeur de ce projet CHAOS.
Enjeux et objectifsCe projet a pour but de mieux comprendre les processus d’accrétion-éjection régulant les sursauts des binaires X et en particulier des binaires X à trou noir. L’origine des changements d’états spectraux de ces objets au cours de ces sursauts, les cycles d’hystérésis qu’ils parcourent dans le diagramme dureté-intensité, ne sont toujours pas compris à l’heure actuelle. Ce projet regroupe théoriciens, modélisateurs et observateurs dans le but d’accéder à une vision globale de la physique de ces objets. Il s’articule autour des calculs théoriques d’accrétion-éjection développés à l’IPAG, des codes numériques radiatifs mis au point à l’IRAP et des contraintes observationnelles apportées par les observations et l’analyse de données faites à AIM. Les objectifs du projet sont :• Développer le modèle de disque éjectant (JED, pour Jet Emitting Disk) et produire des diagrammes dureté-intensité synthétiques à comparer aux observations. Ceci dans le but de déduire des trajets évolutifs de la dynamique des binaires X.• Développer des codes numériques radiatifs précis permettant de reproduire le rayonnement multi-longueur d’ondes observés en incluant les effets de polarimétrie X en relativité générale.• Apporter des contraintes observationnelles, à la fois spectrales et temporelles, aux modèles théoriques par une analyse complète et systématique des données d’archives X et Radio ainsi que par la mise en place de nouvelles campagnes d’observations.
MéthodologieNotre objectif est de développer de nouveaux outils numériques capables de produire, dans le cadre des solutions dynamiques auto-consistentes d'accrétion-éjection  proposées par le groupe de l'IPAG, des distributions spectrales d'énergie (SED) multi-longueur d'onde directement comparables aux données réelles. De nouveaux outils, développés avec le groupe de l'IRAP, seront utilisés pour produire des SED réalistes et contraindre les changements de paramètres requis dans le modèle pour reproduire les diagrammes dureté-intensité (HID) observés. Nous serons alors en mesure de contraindre la géométrie et les caractéristiques physiques des régions émettrices. Nous pourrons également faire des prévisions fiables sur le degré de polarisation de l'émission haute énergie des binaires X.La plupart des développements proposés dans ce projet nécessite des intrants essentiels qui ne peuvent être fournis à partir d'observations: des formes spectrales, les propriétés de distribution, multi-longueur d'onde comportement etc .. Le groupe AIM va donc construire le schéma le plus générique de propriétés des trous noirs le long du parcours de leurs débordements. Il va caractériser l'évolution de l'accouplement d'accrétion-éjection avec le temps afin de fournir le plus important ensemble de contraintes pour les modèles à ce jour. Ce sont des informations d'une importance cruciale car ils permettront falsifier le cadre théorique et sont inaccessibles pour les experts non-observation.
Résumé de la soumission : L'étude des trous noirs, et des conditions physiques régnant dans leurs proches environnements, est un des sujets majeurs de l'astrophysique contemporaine. Quelle est la géométrie du flot d'accrétion sur ces objets? Quelle est sa dynamique? Quelles sont les processus physiques qui le controlent? Comment, en parallèle à cette accrétion, et de manière si intimement liée, des éjections relativistes ainsi que des jets auto-confinés extremement puissants peuvent-ils se former? Quels sont les processus à l'origine des étonnants cycles d'hytérésis observés dans certaines binaires X? Autant de questions fondamentales, toujours non-résolues, qui sont au coeur du présent projet ANR2012-CHAOS. Ce projet porte plus particulièrement sur l'étude des binaires X à trou noir. De part les échelles de temps (i.e. de la minute au mois) sur lesquelles ces objets varient, échelles de temps facilement accessibles par les instruments actuels, ce sont effectivement les candidats les mieux adaptés à l'étude de ces différents phénomènes. Ce projet fait naturellement suite à une précédente ANR "Jeunes Chercheurs" mais avec l'ambition nouvelle de travailler en étroite collaboration avec des observateurs. C'était pourtant la critique principale faite à notre projet en 2011. Nous sommes cependant convaincus qu'une telle collaboration est essentielle pour la réussite de nos travaux et ce pour deux raisons: premièrement c'est la connaissance précise des observations qui va diriger les avancées théoriques et numériques de nos travaux. Une telle connaissance des données requiert de très fortes compétences observationnelles. Deuxièmement, seule une comparaison directe aux observations va permettre de valider ou d'invalider un modèle thèorique comme celui proposé dans ce projet.Les différents champs d'expertise (modèles dynamiques, processus radiatifs, observations) présents dans ce projet vont permettre, dans un premier temps, d'améliorer les outils numériques existants et d'en développer de nouveaux. Plus précisément nous allons (i) concevoir des modèles de disques d'accrétion dépendant du temps où les processus d'éjection sont pris en compte de manière cohérente (ii) développer des codes numériques traitant simultanément les aspects radiatifs et cinétiques de plasmas non-thermiques dans des géométries complexes et (iii) mettre en place une base de données à partir des observations multi-longueur d'ondes (de la radio aux gammas) les plus complètes qui existent et organiser de nouvelles campagnes d'observations. Nous avons alors l'ambition de combiner ces différents travaux pour permettre des avancées majeures dans notre compréhension des binaires X à trou noir en particulier, et de tous types d'objets compacts accrétants en général.. En plus de leur utilisation pour d'autres problèmes astrophysiques, ces différents outils vont ainsi nous permettre de produire des spectres synthétiques, analyser et prédire leur évolution temporelle, et les comparer aux observations multi-longueur d'onde les plus contraignantes. En réunissant des experts reconnus de l'observations des objets compacts et de la modélisation des processus radiatifs et d'accrétion-éjection s'y produisant, ce projet à également pour but de renforcer la communauté francaise étudiant ce type d'objets.
Résultats : Parmis les résultats marquants obtenus depuis le début de ce projet (notez que tous ne sont pas encore publiés) : 
-	Détection pour la première fois de l'émission dans l'infrarouge lointain d'un jet compact d’une binaire X à l’aide du satellite Herschel, observations combinées à celles de télescopes radio, X et optique. Ces données ont permis de décrire en détail la formation et l'évolution du jet et de fournir des informations sur la base du jet, au plus près du trou noir. Ces travaux ont donné lieu à un communiqué de l’ESA que l’on peut trouver ici : http://sci.esa.int/herschel/51482-herschel-gets-to-the-bottom-of-black-hole-jets/ (Corbel et al. 2013, MNRAS Letters, 431, L107). 
-	Explication de l’absence de signatures de vents (raies d’absorption du Fer XXV et Fe XXVI ) dans les états « durs » des binaires X. Les hauts états d’ionisations du Fer seraient thermodynamiquement instables lorsqu’ils sont illuminés par le spectre typique de ces états. Quant à la présence de ces vents dans les « états » mous elle requerrait un chauffage en surface du disque d’accrétion, chauffage nécessaire à la production d’un vent suffisamment dense pour être en accord avec les observations. (Chakravorty et al. 2015 soumis).
-	Reproduction de l’émission radio-IR-optique de la binaire X GX 339-4, dans son état « durs », à l’aide du modèle de chocs internes (Malzac et al. 2014, Drappeau et al. 2015). Ce modèle explique également l’absence de détection radio du jet dans l’état « mou » du fait du faible rayonnement du jet attendu dans cet état (Drappeau et al. 2015 en préparation).
Perspectives : Les travaux initiés par les postdoctorants sont en train de porter leurs fruits avec la soumission/publication d’articles de qualités sur des sujets très discutés dans la littérature (vents et jets dans les binaires notamment).
Le projet avance donc de manière très positive. De plus les avancées faites jusqu’à présent dans ce projet ouvrent la voie à de nombreux axes de recherche qui devraient fortement se développer dans les années à venir, notamment avec le lancement du satellite X ASTRO-H (en 2016) ou des télescopes radio come LOFAR ou SKA.
Publications et brevets : Je liste ci dessous seulement les publications et Communications multipartenaires
Publications
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1. Drappeau et al., 2015a, MNRAS, 447, 3832
2. Rozanska et al., 2015, A&A, 580, 77
3. Susmita et al. 2015, A&A, soumis
4. Drappeau et al. 2015b, A&A, en pre´paration
5. Clavel et al. 2015, A&A en pre´paration
6. Petrucci, Cabanac, Corbel et al., 2014, A&A, 564, A37
7. Corbel et al., 2013, MNRAS Letters, 431, L107 
Confe´rences
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 1. Chakravorty et al., “Magneto-centrifugal winds from accretion discs around black hole binaries”. Confe´rence “The Extremes of Black Hole Accretion », Juin 2015, Madrid, Espagne
2. Clavel et al., « « Broad-band analysis of the spectral evolution of GX 339-4”. Confe´rence “The Extremes of Black Hole Accretion », Juin 2015, Madrid, Espagne
3. Petrucci et al., « Magneto-centrifugal outflows from accretion discs in black hole X-ray binaries”. Confe´rence «From the Dolomites to the event horizon: sledging down the black hole potential well», Juillet 2015, Sesto, Italie
4. Drappeau, « Does accretion flow variability drives internal shocks in the compact jet of the black hole binary GX 339-4? », 40th COSPAR, Moscou, Russie, 2014
5. Petrucci, Cabanac, Corbel et al., «Suzaku Observations of GX 339-4 during its soft-to-hard state transition». Confe´rence « From the Dolomites to the event horizon: sledging down the black hole potential well», Juillet 2013, Sesto, Italie
6. Petrucci, Cabanac, Corbel et al «Suzaku monitoring of the return back to the hard state of GX 339-4», Confe´rence « Spectral/timing properties of accreting objects: from X-ray binaries to AGN », April 2013, ESAC, Madrid, Espagne