Thèse Modélisation de la Variabilité X des Microquasars dans le Cadre du Modèle de Disque Éjectant H/F - Doctorat.Gouv.Fr

Établissement : Université Grenoble Alpes
École doctorale : PHYS - Physique
Laboratoire de recherche : Institut de Planetologie et d'Astrophysique de Grenoble
Direction de la thèse : Pierre-Olivier PETRUCCI ORCID 0000000160613480
Début de la thèse : 2026-10-01
Date limite de candidature : 2026-05-04T23:59:59

Les microquasars sont des systèmes binaires dont l'un des composants est un trou noir. Ils entrent en éruption de temps en temps, devenant extrêmement brillants dans les rayons X. Pendant ces éruptions, leur spectre évolue entre des états dits 'durs', très variables, dominés par une émission de type loi de puissance jusqu'à ~100 keV et montrant la signatures de jets puissant en radio, et des états dits 'mous', beaucoup moins variables, dominés par une émission de rayons X mous (~ keV) provenant d'un disque d'accrétion et ou le jet semble avoir disparu. L'émission observée dans les états 'durs' nécessite la présence d'un plasma chaud (de plusieurs milliards de degrés), appelé couronne chaude, dont l'origine physique est encore débattue. Les contraintes apportées récemment par les mesures de polarimétrie X du satellite IXPE suggèrent que cette couronne soit localisée dans les parties internes du flot d'accrétion.

Nous développons depuis plusieurs années à l'IPAG un modèle d'accrétion-éjection, le modèle de disque éjectant (JED pour Jet Emitting Disk, Ferreira et al. 2006, Marcel et al. 2018a,b, 2019, 2020, 2022). Un JED est un disque traversé par des lignes de champs magnétiques à grandes échelles qui permettent la formation d'un jet comme on en observe dans l'état dur des microquasars. L'impact du jet sur le disque est important, lui extrayant de la masse et du moment angulaire. Un JED a ainsi des propriétés très différentes de celles d'un disque standard, non éjectant. Notamment sa vitesse d''accrétion est bien plus rapide et, pour un taux d'accrétion donné, sa densité est donc bien plus faible. Nous avons pu montrer que les parties internes du JED pouvaient ainsi atteindre des températures très élèvées et jouer le rôle de couronne chaude. Il est ainsi capable de reproduire les spectres 'durs' des microquasars. G. Marcel a développé pendant sa thèse (2015-2018) un code python, DYPLO, qui permet de calculer le spectre produit par n'importe quelles configurations de JED. Ce modèle a été appliqué avec succès à diverses sources (Petrucci et al. 2010, Marcel et al. 2019; Barnier et al. 2021, Marino et al. 2021) et est maintenant bien reconnu dans la communauté. Mais le modèle est actuellement stationnaire et ne permet pas de reproduire la variabilité X observée.

Le but de cette thèse va donc être de rendre le modèle de JED dépendant du temps. Cela va se faire suivant 2 approches. La première portera sur l'application d'une méthode analytique de propagation de fluctuations dans une structure de JED suivant le formalisme mis en place par Malzac et al. (en préparation). Cette méthode a été appliquée avec succès au microquasar MAXI J1820+070. L'idée est donc d'appliquer ce formalisme à d'autres observations de cet objet et aussi à d'autres microquasars en utilisant les nombreuses données d'archives existantes (RXTE, XMM, NiCER, NuSTAR et HXMT). Ce travail devrait occuper la 1ere année de thèse.
La deuxième approche, qui est au coeur de ce projet de thèse, portera sur l'utilisation du code Monte-Carlo MONK. MONK est un code Monte-Carlo développé par le Dr. W. Zhang avec qui nous collaborons. MONK permet de traiter correctement la géométrie du flot d'accrétion, traite l'ensemble des processus radiatifs (locaux comme non-locaux), inclut naturellement les effets de décalage temporel lié à l'illumination des parties externes du flot d'accrétion par les parties internes et enfin inclut les effets de relativité générale. L'objectif sera d'implémenter, dans MONK, la propagation de fluctuations dans une structure JED calculé par DYPLO.

Un tel code serait le premier du genre, capable de reproduire simultanément les propriétés spectrales et temporelles des microquasars. Il sera directement comparé aux nombreuses signatures temporelles qui caractérisent ces objets (spectre de puissance, délai entre les courbes de lumière produite à différente énergie, QPO,....) dans le but de mieux contraindre les régions d'émission X dans ces objets.

Les microquasars sont des systèmes binaires constitués d'un trou noir de quelques masses stellaires et d'une étoile, dite secondaire, alimentant le trou noir en matière. Ces systèmes montrent parfois des sursauts ou leur luminosité X augmente de plusieurs ordres de grandeurs, faisant sortir le microquasar de son état quiescent où il reste la majorité du temps. Lors de ces sursauts, les microquasars montrent une évolution spectrale, temporelle et dynamique complexe dont on comprend peu les rouages. De nombreuses questions se posent: quelle est la dynamique réelle de ces flots d'accrétion? Quelles sont leurs véritables géométries? Quels sont les processus radiatifs produisant ce rayonnement haute énergie X? Quelle est l'origine de sa variabilité temporelle? Comment les processus d'accrétion et d'éjection sont ils interconnectés? Peu de modèles, physiquement réalistes, existent actuellement pour expliquer ces différents phénomènes. Le modèle de disque éjectant (JED pour Jet Emitting Disk) est l'un de ceux là.

Le but de cette thèse va être de reproduire les signatures temporelles des microquasars à l'aide du modele de disque éjectant. Il faudra rendre ce modéle dépendant du temps, en combinant les codes DYPLO et MONK déjà existants et disponibles à l'IPAG. Un tel code, reposant sur des solutions physiques d'accrétion-ejection, serait le premier du genre. Il sera directement comparé aux nombreuses signatures temporelles qui caractérisent les microquasars (spectre de puissance, délai entre les courbes de lumire produites à différente énergie, oscillation quasi périodique,....).

Le/la doctorant.e devra tout d'abord effectuer un travail de bibliographie sur l'astrophysique des objets compacts. Il/elle devra également se familiariser avec le code DYPLO capable de calculer le spectre de n'importe quelle solution de disque éjectant dont le modèle a été développé dans notre groupe. Il a été développé sous Python et est correctement documenté. Le/la doctorant.e devra aussi se familiariser avec le code monte-carlo MONK qui permettra de calculer de manière plus précise les signatures temporelles qui caractérisent les microquasars (PDS, délais, Oscillation quasi-périodique, etc...). Le/la doctorant.e aura aussi une période d'apprentissage des méthodes d'analyse des données X qui seront utilisées dans la thèse. Cette partie devrait se faire sur une période assez courte de 2-3 mois. Ensuite les travaux se feront en deux étapes. Une premiere approche, qui durera une année, consistera à appliquer le formalisme analytique de Malzac et al. (en préparation) pour calculer la réponse d'un JED à la propagation de fluctuations. La seconde approche utilisera le code Monte-Carlo MONK pour produire et suivre les fluctuations d'une structure JED au cours du temps, de calculer les courbes de lumière du rayonnement associé, produire des observables et les comparer aux observations.

Durant la thèse le/la doctorant.e devra s'approprier les codes existants: DYPLO, code python, et MONK, code C++. Les 2 codes sont et fonctionnent à l'IPAG. Il/elle devra également mettre en place des routines automatiques de traitement et d'analyse de données sur des logiciels comme XSPEC (https://heasarc.gsfc.nasa.gov/xanadu/xspec/). Cela demande donc un minimum de compétence en programmation.
Le/la doctorant.e devra également se familiariser avec les archives des missions satellitaires telles que celles de NiCER ou RXTE.

Bien que le travail se fera principalement en collaboration avec le directeur de thèse, il nécessitera aussi des intéractions régulières avec les différents chercheurs ayant déjà contribué au projet (de l'équipe haute énergie de l'IPAG mais aussi d'autres laboratoires francais et étranger) et qui continueront à le suivre au cours de la thèse.