Sources X ultra-lumineuses: étude optique détaillée de deux contreparties et de leurs environnements : Deux exemples contre la présence d'un trou noir de masse intermédiaire
Institution:
Université Louis Pasteur (Strasbourg) (1971-2008)Disciplines:
Directors:
Abstract EN:
Ultraluminous X-ray sources (ULXs) are objects emitting above the Eddington limit of a 10 solar masses black hole while not being located at the nucleus of their host galaxy. Despite two decades of X-ray observations, the precise nature of ULXs remains a mystery. Indeed, these accreting binary systems became the ideal candidates for the famous intermediate mass black holes (IMBHs), but direct proofs are missing. This thesis relies on optical data of unprecedented exposure time that was taken by ground-based telescopes of the 8+ meter class and by the Hubble space telescope. My study follows a multi-wavelength approach that is essential in present astrophysics. Observations of two of the most luminous ULXs known revealed lots of information, such as a secure spectroscopic indentification of their optical counterparts by detecting an HeII emission line in the continuum. The photometry of the environment of these sources has permitted to link ULXs to young and small stellar associations and to estimate an upper mass limit for the donor star in these systems. Photometric variability on different time scales has been observed and is interpreted as being linked to stochastic variations of the accretion disk. For the first time, a shift in the radial velocity of the HeII line has been detected, which has encouraged an attempt to determine a radial velocity curve of a ULX. Such a curve would permit to discriminate unambiguously the black hole class to which it belongs. For the moment, only an upper limit on the black hole mass has been found, being compatible with less than 50 solar masses. The presence of a high mass black hole is hence unlikely. The stellar environment in which these objects are located also pleads for small mass black holes rather than the intermediate mass ones. Finally, these ULXs distinguish themselves by the presence of large nebulae around them; spectroscopy of these ionised bubbles reveals an important contribution due to shocks and a second contribution by photoionization that is still to be quantified precisely. In any case, the ejection of jets and/or winds by the ULX itself seems to be the only way to shape these nebulae of a very unusual size.
Abstract FR:
Les sources X ultralumineuses (ULXs) sont des objets qui dépassent la limite d'Eddington d'un trou noir de 10 masses solaires et qui se situent en dehors du noyau de leur galaxie hôte. Malgré deux décennies d'observations dans la gamme des rayons X, la nature précise des ULXs reste un mystère. En effet, ces systèmes binaires accrétants sont devenus les candidats idéaux des fameux trous noirs de masse intermédiaire (IMBHs), mais les preuves directes manquent. Cette thèse fait donc appel à des données optiques d'une profondeur jusque là inexploitée, grâce à l'utilisation conjointe des télescopes terrestres de la classe des 8 mètres et du télescope spatial Hubble, dans une démarche d'étude multi-longueurs d'onde indispensable dans l'astrophysique contemporaine. Les observations sur deux des ULXs les plus brillants connus jusqu'alors ont révélé quantité d'informations, parmi lesquelles une identification spectroscopique claire de leur contrepartie optique via la détection d'une raie d'HeII en émission dans le continu de celle-ci. La photométrie de l'environnement de ces sources a permis d'associer les ULXs à des associations stellaires jeunes et peu massives et a également rendu possible la détermination d'une masse limite supérieure pour l'étoile donneuse de masse dans ces systèmes. Une variabilité photométrique sur des échelles de temps diverses a été observée et est interprétée comme étant liée à des variations stochastiques du disque d'accrétion. Pour la première fois, une modification de la vitesse radiale de la raie d'HeII a été observée, lançant la course à l'obtention d'une courbe de vitesse radiale pour un ULX ce qui permettrait de discriminer sans ambiguité la classe de trous noirs à laquelle il appartient. En l'état, seule une limite supérieure sur la masse du trou noir dans un ces systèmes a pu être déterminée et elle est compatible avec un trou noir de masse inférieure à 50 masses solaires, rendant l'hypothèse d'un trou noir de grande masse improbable. L'environnement stellaire dans lequel se situent ces objets plaident également pour des trous noirs de plus faible masse que la gamme intermédiaire. Enfin, ces ULXs se distinguent par la présence de larges nébuleuses autour d'eux ; la spectroscopie de ces bulles ionisées révèle une contribution importante liée aux chocs ainsi qu'une contribution photoionisante restant à quantifier plus précisément. Dans tous les cas, la présence de jets et/ou de vents provenant de l'ULX semble être la seule façon de pouvoir sculpter ces nébuleuses d'une taille très inhabituelle.