Formation, evolution and environment of high-mass X-ray binaries
Creators
- Coleiro, Alexis
- Paris VII Univ. Paris - Diderot, Ecole Doctorale d'Astronomie et Astrophysique d'Ile-de-France (France)
- Commissariat a l'Energie Atomique - CEA, Centre d'etudes de Saclay, DSM-IRFU, Laboratoire AIM - UMR-E 9005 CEA/DSM - CNRS - Universite Paris Diderot, Irfu/Service d'Astrophysique, CEA-Saclay, 91191 Gif-sur-Yvette Cedex (France)
Description
High-Mass X-ray Binaries are interacting binary systems composed of a compact object orbiting an O/B massive star. These objects are deeply studied with the aim of understanding accretion and ejection processes around compact objects. Recent studies claim that most of the Galactic massive stars do not live alone and suffer from mass transfer during their life. Therefore, understanding the HMXB evolution and their interaction with the close environment allows to better understand not only the evolution of massive binary stars, possible progenitors of gamma-ray bursts and gravitational waves emitters during their coalescence, but also to correctly characterize the faraway galaxies. How do these sources evolve? Where are they located in the Galaxy? What are their principal properties? What is the influence of their environment? What is their impact on the interstellar medium? This thesis aims at shedding some light on these questions, by adopting two complementary approaches: a statistical study of the Galactic population of HMXB and on another hand a multi-wavelength study of individual sources. The first part of this thesis introduces the main characteristics of massive stars. Their evolution and the observational features are described. We also present the main observational and theoretical properties of HMXB together with the multi-wavelength approach used in this work. With the aim of better understanding the stellar evolution and the connections between compact objects and supernovae or gamma-ray bursts, it is of major interest to understand where these compact objects are born. Thus, the second part details the statistical study carried out on the Galactic HMXB population. Thanks to a uniform approach based on spectral energy distribution fitting, we determine, for the first time, the distance of 46 HMXB into the Milky Way with an accurate uncertainties estimation. Then, we present the distribution of these sources in the Galaxy and we show that a correlation between the HMXB spatial distribution and the star forming regions distribution exists, making the HMXB a good tracer of star formation. This study also allow us to constrain the evolution of thirteen binary systems, precisely their age and migration distance due to the supernova explosion. The third part reports the results of a near-infrared observing campaign dedicated to the identification of new HMXB in the INTEGRAL data. We present the infrared observation constraints and the observational strategy used during these observations carried out at La Silla Observatory. Then, we show the results that led to the spectral identification of thirteen HMXB. We complete these results by characterizing the close environment of three of them. We also update the HMXB population statistics and we explain how these new discoveries challenge population synthesis models. Finally, we suggest some clues that may bring back together observations and models. Understanding the structure of the HMXB environment is crucial since it can reflect the evolution of the binary system and the influence of the compact object. We show in the fourth part how the Herschel satellite has opened a new window on the HMXB study, allowing, for the first time, the study of an HMXB in far-infrared. We focus on GX 301-2, a massive X-ray binary composed of a neutron star orbiting an hyper-giant star. We show that the matter surrounding the binary system is disk-shaped and we compare these results with those obtained for other HMXB. This enables to begin studying their evolution through the analysis of their close environment. In another hand, we show that GX 301-2 is likely interacting with the interstellar medium and we suggest new constraints on the system evolution, brought by these novel observations, coupled with archival data, from the optical to the radio domain. Finally, we close this manuscript by giving a conclusion and bringing short and long term perspectives. (author)
Abstract (French)
Les binaires X de grande masse (HMXBs pour High-Mass X-ray Binaries en anglais), constituees d'un objet compact (etoile a neutrons ou trou noir) orbitant autour d'une etoile massive, ont un interet fondamental dans l'etude des processus d'accretion/ejection autour d'un objet compact. Par ailleurs, des etudes observationnelles recentes prouvent qu'une majorite d'etoiles massives vivent en couple et connaissent des transferts de matiere au cours de leur vie. De ce fait, comprendre l'evolution des HMXBs ainsi que leur interaction avec l'environnement proche permet de mieux cerner l'evolution des couples stellaires les plus massifs, possibles progeniteurs de sursauts gamma et emetteurs d'ondes gravitationnelles lors de leur coalescence. Plus largement, la connaissance de l'evolution des etoiles binaires massives en interaction est cruciale pour caracteriser correctement les galaxies lointaines. Comment ces sources evoluent-elles? Ou sont-elles situees dans la Galaxie? Quelles sont leurs proprietes principales? Quelle est l'influence de leur environnement proche? Quel est leur impact sur le milieu interstellaire? Cette these vise a apporter des elements de reponse a ces questions, en adoptant deux approches complementaires: d'une part une etude statistique de la population Galactique de binaires X de grande masse et d'autre part une etude multi-longueurs d'onde de sources prises individuellement. La premiere partie de cette these constitue une introduction a la physique et a l'evolution des etoiles massives et permet ensuite d'apprehender les specificites evolutives et observationnelles des binaires X de grande masse. Nous decrivons finalement l'approche multi-longueurs d'onde sur laquelle repose cette etude. Afin de replacer les objets compacts (trous noirs et etoiles a neutrons) dans le contexte plus global de l'evolution stellaire et afin de preciser leur lien avec les phenomenes explosifs que sont les supernovae ou encore les sursauts gamma, il est necessaire de comprendre ou sont nes ces objets. De ce fait, dans la seconde partie du manuscrit, nous detaillons l'etude statistique qui a ete menee sur la population Galactique de HMXBs. A l'aide d'une approche uniforme, fondee sur un ajustement des distributions spectrales d'energie, nous determinons, pour la premiere fois, la distance d'un echantillon de 46 HMXBs peuplant la Voie Lactee. Apres avoir evalue precisement les incertitudes liees a cette methode, nous presentons la distribution de ces sources dans la Galaxie. Puis, nous montrons qu'il existe une correlation entre la distribution spatiale des HMXBs et celle des complexes de formation stellaire, faisant des HMXBs un bon traceur de la formation stellaire recente. Enfin, cette etude nous permet de contraindre l'evolution de treize systemes binaires, en particulier leur age et leur distance de migration apres l'explosion de la supernova. Dans une troisieme partie, nous decrivons une campagne d'observations en infrarouge proche menee a l'observatoire de La Silla afin d'identifier de nouvelles HMXBs dans les donnees du satellite INTEGRAL. Nous abordons dans un premier temps les contraintes inherentes aux observations infrarouges et nous detaillons la strategie observationnelle employee. Nous exposons ensuite les resultats obtenus, qui ont mene a l'identification spectrale de treize HMXBs. Nous completons ces resultats par la caracterisation de l'environnement de trois d'entre elles. Finalement, nous mettons a jour les statistiques issues des observations INTEGRAL, en precisant la taille de chaque sous-population de HMXBs. Nous discutons ces statistiques a la lumiere des derniers modeles de synthese de populations de HMXBs et suggerons un modele qui permettrait de reconcilier observations actuelles et theorie. Comprendre la structure de l'environnement de ces sources revet un enjeu fondamental puisque celuici peut refleter l'evolution du systeme binaire et l'influence de l'objet compact. Nous montrons dans une quatrieme partie que le satellite Herschel a ouvert une nouvelle fenetre sur l'etude des HMXBs en permettant, pour la premiere fois, l'analyse de l'environnement d'une HMXB en infrarouge lointain. Nous nous interessons ici a GX 301-2, une binaire X massive constituee d'une etoile a neutrons orbitant autour d'une etoile hypergeante. Nous montrons que la matiere entourant le systeme binaire est structuree sous la forme d'un disque et nous comparons ces resultats a ceux obtenus pour d'autres HMXBs, ce qui nous permet d'entrevoir l'etude de leur evolution via l'analyse de leur environnement proche. Nous montrons ensuite que cette source interagit probablement avec le milieu interstellaire et nous posons finalement de nouvelles contraintes sur l'evolution de la binaire X apportees par ces observations inedites, couplees a des donnees d'archives, du visible a la radio. Finalement, nous terminons ce manuscrit en donnant une conclusion generale a ce travail et en y apportant des perspectives a court et a plus long terme. (auteur)
Files
Additional details
Additional titles
- Original title (French)
- Formation, evolution et environnement des binaires X de grande masse
Identifiers
Publishing Information
- Imprint Pagination
- 274 p.
- Report number
- FRCEA-TH--6390
INIS
- Country of Publication
- France
- Country of Input or Organization
- France
- INIS RN
- 48018479
- Subject category
- S79: ASTROPHYSICS, COSMOLOGY AND ASTRONOMY;
- Resource subtype / Literary indicator
- Thesis
- Descriptors DEI
- ACCRETION DISKS; COALESCENCE; COSMIC GAMMA BURSTS; ENERGY SPECTRA; FAR INFRARED RADIATION; IMAGE PROCESSING; INTERSTELLAR SPACE; IONIZATION; MILKY WAY; NEAR INFRARED RADIATION; NEUTRON STARS; SATELLITES; SPATIAL DISTRIBUTION; STAR EVOLUTION; SUPERMASSIVE STARS; SUPERNOVAE; TEMPERATURE DISTRIBUTION
- Descriptors DEC
- BINARY STARS; COSMIC RADIATION; DISTRIBUTION; ELECTROMAGNETIC RADIATION; ERUPTIVE VARIABLE STARS; EVOLUTION; GALAXIES; INFRARED RADIATION; IONIZING RADIATIONS; PRIMARY COSMIC RADIATION; PROCESSING; RADIATIONS; SPACE; SPECTRA; STARS; VARIABLE STARS
Optional Information
- Notes
- [310 refs.]; Available from the INIS Liaison Officer for France, see the 'INIS contacts' section of the INIS-NKM website for current contact and E-mail addresses: http://www.iaea.org/inis/Contacts/