Systèmes binaire : formation, évolution et environnement

par Francis Fortin

Thèse de doctorat en Physique de l'Univers

Sous la direction de Sylvain Chaty.


  • Résumé

    Les systèmes binaires accrétants sont des couples stellaires composés d'un objet compact (naine blanche, étoile à neutrons, trou noir) et d'une étoile qui s'échangent de la matière. Cette phase d'accrétion est caractérisée par l'émission de rayonnements énergétiques, et peut induire l'accélération de matière à des vitesses relativistes dans des jets, ainsi qu'une variabilité qui oscille entre sursauts et périodes de quiescence. Ces objets sont des contributeurs majeurs au rayonnement X et gamma dans l'univers, et on sait depuis 2015 qu'ils sont aussi les progéniteurs de collisions entre deux objets compacts, donnant naissance à une émission d'ondes gravitationnelles. Parce que plus de la moitié des étoiles de notre galaxie passent au moins une partie de leur vie en couple, l'étude des systèmes binaires est une des clés qui permettront de mieux comprendre l'évolution stellaire en général. On propose dans cette thèse de partir sur un questionnement général sur l'origine des systèmes binaires, leur diversité et des différents chemins évolutifs qu'ils empruntent, ainsi que sur la complexité de leur environnement local. Nos outils pour traiter ces thématiques seront principalement observationnels ; on tentera notamment d'exploiter les propriétés multi-longueur d'onde des binaires accrétantes. La première partie est une introduction qui permet d'apporter quelques bases sur l'évolution stellaire, les processus caractéristiques des systèmes binaires, et qui présente quelques aspects observationnels pratiques en rappelant les messagers et les observables qu'on peut en extraire. La 2ème partie traite d'un projet inital de recensement des binaires accrétantes connues. On corrèle des catalogues antérieurs avec le Centre de Données Astronomiques de Strasbourg pour mettre à jour certaines informations, et on tente de trouver les contreparties de binaires X de grande masse (HMXB) parmis les détections du satellite Gaia. Cette ébauche de catalogue servira dans un projet d'étude du kick natal des HMXBs et constituera une base pour y chercher les progéniteurs de couples compacts détectables par le satellite gravitationnel LISA. La 3ème partie vise à participer activement au recensement de binaires X en déterminant la nature de sources INTEGRAL (IGR). On présente une analyse de données spectrophotométriques en infrarouge proche acquises avec l'instrument VLT/ISAAC sur 14 sources IGR. Parmis celles-ci, on identifie 9 nouvelles binaires accrétantes et 5 noyaux actifs de galaxie. La 4ème partie se focalise sur un système, IGR J16318-4848, qui est une binaire supergéante obscurcie de type B[e], et qui présente un environnement complexe dont on cherche à déterminer la structure. On rend compte d'acquisitions spectroscopiques VLT/X-Shooter qui nous permettent de sonder la dynamique du vent stellaire de l'étoile supergéante, le mouvement orbital d'un disque circumbinaire de poussières ainsi que celle de sont propre vent riche en éléments lourds. En modélisant la distribution spectral d'énergie large bande jusqu'aux infrarouges lointains (Spitzer, Herschel), on détermine notamment les températures des millieux émetteurs ainsi que leur dimensions absolues. La 5ème partie porte sur l'étude d'une source transitoire, Swift J1745-26, composée d'un trou noir et d'une étoile de faible masse. Observée des X à la radio après être entrée en sursaut fin 2012, elle est détectée cinq mois plus tard pendant une phase de décroissance. Nous utilisons des données photométriques VLT/FORS2, ISAAC de l'optique à l'infrarouge ainsi que des mesures en X (Swift/BAT, XRT) afin de comparer les distributions spectrales d'énergie à deux époques différentes. On peut notamment expliquer les variations de luminosité par un changement du rayon interne du disque d'accrétion, qui s'organise autour du trou noir central. On termine ce manuscrit par un résumé des résulats obtenus ainsi qu'un bref aperçu des perspectives d'avenir dans le domaine des binaires accrétantes.

  • Titre traduit

    Binary systems : formation, evolution and environment


  • Résumé

    Accreting binary systems are stellar couples in which a compact object (white dwarf, neutron star, black hole) feeds on a regular star. This accretion phase in the life of a binary shows characteristic high-energy emission, and can cause the formation of relativistic jets as well as a transient behavior which goes from violent outbursts to quiescent periods. These objects contribute significantly to the X-ray and gamma radiation in the universe, and since 2015 we know they are the progenitors of spectacular collisions between compact objects, which at the end of their lives radiate gravitationnal waves. Because more than half of the stars in our Galaxy spend at least a part of their lives within a binary, studying these systems is key to better understand stellar evolution in general. This thesis starts from an intial questioning about the origin of binary systems, of their diversity and the different evolutionnary paths they take, as well as the intricacy of their local environment. The tools we use to adress these topics are mainly observation-oriented. In particular, we will try to make full use of the multi-wavelength properties of binaries in the studies we present. The first part is a general introduction which covers the basics of stellar evolution, the processes taking place within binary systems, and also introduces practical aspects about observations such as the messengers and the observables that are associated. The second part is about a project of census concerning accreting binaries. We correlate previous catalogues with the Centre de Données Astronomiques de Starsbourg to update some of the information about the binaries, and also try to find counterparts of high-mass X-ray binaries (HMXB) among the detections of the Gaia satellite. This census will be used in a project studying the natal kick of HMXBs and will also be the starting point to look for progenitors of compact binaries which will be detected by the gravitationnal satellite LISA. The third part aims to actively participate in the census of X-ray binaries by determining the nature of unidentified INTEGRAL sources (IGR). We present the analysis of spectrophotometric data in near-infrared acquired with VLT/ISAAC on 14 IGR sources. Among them, we identified 9 new accreting binaries and 5 active galactic nuclei. The fourth part focuses on a particular system. IGR J16318-4848 is an obscured supergiant B[e] high-mass X-ray binary, and posesses a complex environment which we aim to characterize. We report on spectroscopic acquisitions with VLT/X-Shooter which allow us to probe the dynamics of the stellar wind from the supergiant star, the orbital motion of the dusty circumbinary disk as well as its own metal-rich wind. By modeling the broadband spectral energy distribution down to the far-infrared (Spitzer, Herschel), we determine the temperature of the emitting media as well as their absolute scales. The fifth part is a study on a transient source, the microquasar Swift J1745-26, made of a low-mass star orbiting a black hole. It was detected in X-rays down to radio waves late 2012 during outburst, and was observed again five months later during its decay. We use photometric data from VLT/FORS2, ISAAC in optical and near-infrared as well as soft and hard X-ray measurements (Swift/BAT, XRT) in order to compare the broadband spectral energy distributions at these two epochs. The variations in luminosity can be especially explained by a change in the internal radius of an accretion disk around the black hole. We conclude this manuscript by doing a summary of the results we brought on these topics, and also do a short review of the future prospects in the field of accreting binaries.


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