Modélisation de la variabilité X des microquasars dans le cadre du modèle de disque éjectant // Modeling the X-ray variability of microquasars within the framework of the Jet Emitting Disk model

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.
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Microquasars are binary systems in which one of the components is a black hole. They undergo outbursts from time to time, becoming extremely bright in X-rays. During these outbursts, their spectrum evolves between so-called “hard” states, highly variable, dominated by a power-law-type emission up to ~100 keV and showing signatures of powerful radio jets, and so-called “soft” states, which are much less variable and dominated by soft X-ray emission (~keV) originating from an accretion disk, where the jet has disappeared. The emission observed in the hard states requires the presence of a hot plasma (several billion degrees), called “hot corona”, whose physical origin is still debated. Recent constraints from X-ray polarimetry measurements by the IXPE satellite, launched in 2021, suggest that this corona is located in the inner regions of the accretion flow.
For several years, we have been developing at IPAG an accretion-ejection model, the Jet Emitting Disk (JED, Ferreira et al. 2006; Marcel et al. 2018a,b, 2019, 2020, 2022). A JED is a disk threaded by large-scale magnetic field lines that enable the formation of a jet, as observed in the hard state of microquasars. The impact of the jet on the disk is significant, extracting both mass and angular momentum. As a result, a JED has properties very different from those of a standard, non-ejecting disk. In particular, its accretion velocity is much higher and, for a given accretion rate, its density is therefore much lower. We have shown that the inner regions of a JED can reach very high temperatures and thus reproduce the hard spectra of microquasars. During his PhD (2015–2018), G. Marcel developed a Python code, DYPLO, which makes it possible to compute the spectrum produced by arbitrary JED configurations. This model has been successfully applied to various sources (Petrucci et al. 2010; Marcel et al. 2019; Barnier et al. 2021; Marino et al. 2021) and is now well recognized within the community. However, the model is currently stationary and cannot reproduce the observed X-ray variability.

The goal of this PhD project is therefore to make the JED model time-dependent. This will be achieved through two approaches. The first will focus on applying an analytical method for the propagation of fluctuations in a JED structure, following the formalism developed by Malzac et al. (in preparation). This method has been successfully applied to reproduce the timing properties of the microquasar MAXI J1820+070. The idea is to apply this formalism to additional observations of this object, as well as to other microquasars, using the many archival datasets available (notably from the RXTE satellite, but also from XMM, NICER, NuSTAR, and HXMT). This work is expected to occupy the first year of the PhD.
The second approach, which is at the heart of this PhD, will involve the use of the Monte Carlo code MONK. MONK is a Monte Carlo code developed by Dr. W. Zhang, with whom we collaborate. It properly accounts for the geometry of the accretion flow, includes all radiative processes (both local and non-local), naturally incorporates time-delay effects related to the illumination of the outer regions of the accretion flow by the inner regions, and also includes general relativistic effects. The objective will be to implement, within MONK, the propagation of fluctuations in a JED structure computed by DYPLO.

Such a code, based on physically grounded accretion-ejection solutions, would be the first of its kind able to reproduce at the same time the spectral and temporal characteristics of microquasars. It will be directly compared to the many timing signatures that characterize microquasars (power spectra, time lags between light curves at different energies, QPOs, etc.) in order to better constraints the origin of their X-ray emission.
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Début de la thèse : 01/10/2026

Contrat doctoral

Concours pour un contrat doctoral

Université Grenoble Alpes

47 PHYS - Physique

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.
During the PhD, the candidate will be expected to become familiar with existing codes: DYPLO (a Python code) and MONK (a C++ code). Both codes are developed and operational at IPAG. The candidate will also be required to implement automated routines for data processing and analysis using software such as XSPEC. This therefore requires a basic level of programming skills. The candidate will also need to become familiar with archival data from satellite missions such as NICER and RXTE. Although the work will be carried out primarily in collaboration with the PhD supervisor, it will also involve regular interactions with various researchers who have already contributed to the project (from the high-energy team at IPAG as well as from other French and international laboratories) and who will continue to be involved throughout the PhD.