High-energy broad-band spectra of Cygnus X-1 measured by INTEGRAL

1. High-energy broad-band spectra of Cygnus X-1 measured by INTEGRAL Marion Cadolle Bel, APC/CEA-Saclay et al. SAp (Saclay), CESR (Toulouse) Semaine de l’Astrophysique Française du 26 au 30 juin 2006

2. Systèmes Binaires X • Objetcompact + étoile compagnon • Accrétion donc échauffement (rayonnement X et γ) • Éjection de matière processus physiques proches de l’objet compact problèmes à résoudre 300binaires X connues de la Voie Lactée : 18 TN confirmés ; 22 candidats (McClintock et Remillard 03) 2 classes : - HMXB (compagnon massif O ou B) : Cygnus X-1 - LMXB ( ’’ faible masse) : XTE J1720 Cadolle Bel et al. 2004, A&A, 426, 659-667 • Étude variabilités émissions haute énergie : plusieurs états spectraux à analyser/modéliser sur une large bande (du keV au MeV) avec INTEGRAL… Marion Cadolle Bel

3. Cygnus X-1, Prototype HMXB • Émission X brillante persistante 1964 • 1er trou noir reconnu en 1972 • Binaire X de grande masseà 2,4 kpc - période orbitale 5,6 j - accrétion par vents • Trou noir de 10 M supergéante bleue (type O9.7 I) de 20 M Gallo et al. 2005, Nature, 436, 819 Détection d’un jet relativiste Marion Cadolle Bel

4. Haut/Mou Bas/Dur Haut/Mou Bas/Dur Classifications Spectrales -1,5 Indice BATSE (20-100 keV) • Haut/Mou Composante dominante thermique molle en X Indice loi de puissance > 2,3 • Bas/Dur (70% du temps) Faible flux des X mous, fort flux pour les photons durs (MeV) Indice 1,5-2; coupure à E > 100 keV Indice spectral 0,5 -4 Flux BATSE Flux 0,1 100 coups RXTE (2-12 keV) Cps s-1 20 8500 10000 11500 McConnell et al. 2002 Jours Juliens Tronqués (TJD) Marion Cadolle Bel

5. Courbe de lumière RXTE/ASM 150 A B Cadolle Bel et al. 2006a, A&A, 446, 591-602 1,3 Crab 100 Taux de comptage ASM (cps s-1) 1,5-12 keV 50 290 mCrab 0 52600 52800 53000 53200 Temps Universel (MJD) Comportement spectro-temporel complexe (variabilité rapide X, spectre dur > 100 keV, radio) Marion Cadolle Bel

6. Courbe de lumièreindice de dureté IBIS/ISGRI 300 A B 910 mCrab Taux de comptage (cps s-1) 20-200 keV 200 670 mCrab 100 0 1,4 Indice de dureté 20-30/40-100 keV 1,2 1 0,8 0,6 52800 53000 53200 Temps Universel (MJD) Marion Cadolle Bel

7. 1 JEM-X (31 ks) 0,1 IBIS/ISGRI (365 ks) IBIS/PICsIT (159 ks) 0,01 SPI (365 ks) 0,001 cps normalisés s-1 keV-1 2 χ 0 -2 10 1000 100 Énergie (keV) Spectre large bande (période A) Marion Cadolle Bel

8. Modélisations Couronne d’électrons chauds relativistes Bas/Dur Jets Photons durs indirects comptonisés Photons réfléchis Disque multicouleurs Haut/Mou Photons directs mous IR X durs-γ Intensité Sunyaev et Titarchuk 80 y=kTe-Max (τ, τ2) /me-c2 kTin kTe- Énergie Marion Cadolle Bel

9. Spectres comparés en photons • Époque A y = 0,51 ± 0,10 kTe- = 67 ± 8 keV τ = 1,98 ± 0,22 ω/2π = 0,25 ± 0,03 χ2réd = 1,45 (230) • Époque B y = 0,19 ± 0,07 kTe- = 100 ± 21 keV τ = 0,98 ± 0,26 ω/2π = 0,57 ± 0,08 kTin = 1,16 ± 0,07 keV Fe : 7,02 ± 0,11 keV χ2réd = 1,69 (236) EF(E) (keV cm-2 s-1) Énergie (keV) Marion Cadolle Bel

10. Pourquoi ça ne marche pas ? • Controverses sur : - localisation / géométrie de la couronne (kTe- ,τ) - sous-estimation de la haute énergie > 200 keV, inadapté quand - τ couronne ≤ 1 - spectre Bas/Dur : diffusion Compton modélisée avec σ diverses pour inclure effets relativistes (Titarchuk 94) • Composante de réflexion ajoutée (Magdziarz et Zdziarski 95) : ω/2π • « Bulk Motion » : mouvement d’ensemble d’électrons relativistes en chute libre (Laurent et Titarchuk01) • Modèles « hybrides » : distribution thermique et non thermique pour les particules de la couronne : émissions jusqu’au MeV (Poutanen et Svensson 98 ;Coppi 99) Marion Cadolle Bel

11. Modèles Hybrides • Motivation : spectres observés chez Cygnus X-1 = pas de coupure ! • Distribution du plasma Maxwellienne ou non thermique ? les 2 à la fois • Géométrie de la source de photons (disque) + couronne en sandwich ou sphérique • Paramètres : R, Γp ou γinj, ls (corps noir), lh = lnth + lth, τP - Compacité (sans dimension) li = (LiσT ) / R me-c3 - Distribution des électrons : loi de puissance (tronquée ou pas) fonction δ • Comptonisation et réflexion inclues (auto-consistantes) Marion Cadolle Bel

12. Spectres hybrides Cadolle Bel et al. 2006, A&A, 446, 591 ; Malzac et al. 2006, A&A, 448, 1125-1137 EF(E) (keV cm-2 s-1) EF(E) (keV cm-2 s-1) χ χ Énergie (keV) Énergie (keV) Γpow = 2,68 ± 0,15 (mais surestime flux) χ2réd = 1,29 (245) γinj = 8,41 ± 0,77 χ2réd = 0,99 (245) Émission non thermique ~ 50% pour modéliser la haute énergie État Intermédiaire (présence du disque, luminosité proche de l’état Dur) Marion Cadolle Bel

13. Corrélations flux X - radio 1/2 Forte corrélation entre dureté X et flux radio (sur la journée) Dureté X (100-140 keV)/(4-5 keV) Densité de flux radio à 15 GHz (mJy) Marion Cadolle Bel

14. Corrélations flux X - radio 2/2 • Flux radio : • anti-corrélé avec flux X • 3-7 keV • corrélé avec flux ≥15 keV • PIVOT vers 10 keV • corrélé avec la radio • plutôt que flux 3-25 keV avec la radio (Corbel et al. 2003) mais ok car IS 3-4 keV 9-11 keV Log Flux (erg cm-2 s-1) 100-140 keV Log Flux radio à 15 GHz (mJy) Marion Cadolle Bel

15. PERSPECTIVES • Cygnus X-1 : Comptonisation hybride + couplage inhabituel radio Corrélation réelle ? Cadolle Bel et al. 2006b in prep. (nova X) • Analyser les changements d’états d’autres sources pour affiner modélisations • Combiner les résultats d’INTEGRAL (3 keV-10 MeV) avec d’autres λ = accès à différentes zones : accrétion+jets ; compagnon propositions VLA/VLBA et NTT simultanées avec INTEGRAL et RXTE • Analyse temporelle rapide à développer (QPOs) ≥ 30 keV • Contribution à haute énergie à comprendre : novae X + brillantes… Marion Cadolle Bel