SF2A/PCHE Paris 18 juin 2004 Very high energy emission of blazars and the physics of relativistic jets * G. Henri, L. Saugé Laboratoire d Astrophysique.

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1 SF2A/PCHE Paris 18 juin 2004 Very high energy emission of blazars and the physics of relativistic jets * G. Henri, L. Saugé Laboratoire d Astrophysique de Grenoble * Emission de très haute énergie des blazars et physique des jets relativistes

2 SF2A/PCHE Paris 18 juin 2004 Noyaux Actifs de Galaxies (NAG) Sources de rayonnnement intense au cœur de 10% des galaxies Présence dun trou noir supermassif (10 6 - 10 9 M ) Accrétant ~1 M /an * L de 10 10 à 10 15 L * Variabilité intense (mn - h - an) * Emission haute énergie (X, voire * Jets radio dans 10% des cas

3 SF2A/PCHE Paris 18 juin 2004 Objets radio-louds et blazars 10 % des NAG ont une émission radio intense (radio-louds) -Température de rayonnement très (trop) grande T>10 12 K -VLBI -> déplacements superluminiques V apparente ~ 10 c Nécessite un jet relativiste à grand facteur de Lorentz avec un petit angle % ligne de visée v app c Mouvement superluminique dans 3C 279

4 SF2A/PCHE Paris 18 juin 2004 q Amplification Doppler q Facteur Doppler associé au mouvement relativiste Fréquences x t variabilité % Intensités spécifiques x 3 (1 cos ) 1 ~2 ~ Radio-galaxies Blazars Angle caract.

5 SF2A/PCHE Paris 18 juin 2004 Blazars émetteurs gammas (grazars) Emission des NAGs découverte presque simultanément : Par le télescope Cerenkov atmosphérique Whipple (>100 GeV), puis CAT, HEGRA,HESS 6 + qques ? sources (cf présentations M.Tluckykont, N. Leroy, A. Lemiere…) Par le satellite CGRO (EGRET : 30 MeV-30 GeV) ~ 80 sources Markarian 421 3C 279/3C 273

6 SF2A/PCHE Paris 18 juin 2004 Blazars émetteurs gammas (grazars) -Emission gamma dorigine non thermique - Seuls des objets radio-louds sont détectés -Mouvement relativiste nécessaire pour éviter labsorption Source de lémission dans les jets relativistes Q: en quoi lémission peut-elle aider à comprendre lorigine des jets ?

7 SF2A/PCHE Paris 18 juin 2004 Modèle « Standard » de lémission Photons de haute énergie produits par diffusion Compton Inverse sur des photons « mous » - disque daccrétion - raies de fluorescence optiques - synchrotron (SSC) Jet relativiste b = 10 Injection de particules @ 10 3 - 10 6 Chocs internes ?

8 SF2A/PCHE Paris 18 juin 2004 Modèle « une zone » Un blob sphérique homogène, rempli par un champ magnétique et un plasma; particules ayant une énergie caractéristique c Processus Synchrotron Self Compton dominant 5 paramètres : R, B, n, c, et 4 contraintes : fréquences et intensités des deux pics synchrotron et CI Un paramètre libre ! Contrainte supplémentaire : variabilité et/ou opacité gamma. B R

9 SF2A/PCHE Paris 18 juin 2004 Opacité Photons dénergie m e c 2 absorbés essentiellement par des photons dénergie -1 m e c 2 Soit E(keV) = 1/E(GeV) Ou encore ( m)=E(TeV) NB Labsorption peut être extragalactique (1) et/ou intrinsèque (2) * (1) conduit à réevaluer la luminosité réelle de la source * (2) pose des contraintes sur le facteur Doppler

10 SF2A/PCHE Paris 18 juin 2004 Fits spectraux Injection de particules en loi de puissance+refroidissement. n ± ( ) -s, min < < max min = 4 10 5, max = 3 10 6, s=1 (!) En théorie compatible avec chocs mais valeurs numériques « peu plausibles » Injection dune « pile-up »+refroidissement n ± ( ) 2 exp(- / c ) c = 1.3 10 6 + moyenne dans le temps (Saugé & H. subm.) Compatible avec une accélération diffuse (Fermi 2e ordre) Dans tous les cas, grands facteurs de Lorentz nécessaires ! Pian et al. 1998 = 15 (non corr.) = 25 ( corr.)

11 SF2A/PCHE Paris 18 juin 2004 Contraintes dopacité Limite maximale de la densité en photons mous = f( )

12 SF2A/PCHE Paris 18 juin 2004 Problèmes avec les grands facteurs Doppler - Difficiles à justifier théoriquement !! - Absence de mouvement superluminique et dindices de grand facteur Doppler ( T r < 10 12 K) dans les blazars TeV - Problèmes avec la statistique dobjets amplifiés/désamplifiés (contreparties non alignées avec la ligne de visée).

13 SF2A/PCHE Paris 18 juin 2004 Amplification relativiste Angle caractéristique de beaming ~ -1 Unification BL Lacs Radiogalaxies (FR I) ( Padovani Urry 95 ) Facteur Doppler varie entre -1 et 2 Prédit < 10 -4 Observé ~ quelques 10 -2 Prédit > 10 9 Observé ~ quelques 10 4 (e.g. Trussoni et al. 2003) Indique plutôt ~3-5

14 SF2A/PCHE Paris 18 juin 2004 Modèle « slow jet + fast spine » (Chiaberge et al. 2000) Suppose une structure « rapide » ~15 à lintérieur dun jet plus lent ~3 * radio-galaxies dominées par lémission du jet « lent » * Blazars dominés par lémission du cœur. Peut résoudre le problème du contraste de luminosité mais pas celui du nombre de sources (ne change pas beam !!!) Incompatible avec la grande proportion de blazars observés au TeV (H. & Saugé in prep.).

15 SF2A/PCHE Paris 18 juin 2004 Un petit facteur de Lorentz?

16 SF2A/PCHE Paris 18 juin 2004 Un petit facteur de Lorentz? (suite)

17 SF2A/PCHE Paris 18 juin 2004 Un petit facteur de Lorentz? (suite)

18 SF2A/PCHE Paris 18 juin 2004 Conséquence dun petit facteur de Lorentz Absorption inévitable pour une source homogène Seule solution: jet inhomogène et stratifié Spectre synchrotron plus dur -> distribution en particules plus dure. Si distribution quasi mono- energetique -> Pile-up Accélération continue dans le jet, pas de choc ! Production de paires probablement importante (H. & Saugé in prep)

19 SF2A/PCHE Paris 18 juin 2004 Le modèle à deux fluides (Sol, Pelletier, Asséo 1985, Marcowith et al. 1995) Suppose deux structures de jets différentes: Un jet émis par le disque daccrétion par un processus MHD, faiblement relativiste (v~0,5 c) + un faisceau de paires e+/e- hautement relativiste Faisceau produit in-situ de manière consistente : quelques e- accélérés émission X et par synchrotron/ Absorption crée de nouvelles paires paires réaccélérées par la turbulence du jet ambiant.

20 SF2A/PCHE Paris 18 juin 2004 Accélération du plasma de paires Effet Compton dans un champ de photons ANISOTROPE provoque une force dirigée Il existe une vitesse d équilibre pour laquelle la force sannule. Pour un plasma chaud, la force est x par (NB : ne change pas la vitesse déquilibre). < = eq > eq F F = 0 F eq Frad >0 accélération Frad =0 équilibre Frad <0 freinage

21 SF2A/PCHE Paris 18 juin 2004 Accélération du faisceau de paires Veq (z) V (z) (plasma chaud Disque lumineux) V (z) (plasma froid ou Disque peu lumineux) Zone démission (Renaud & H. 1998)

22 SF2A/PCHE Paris 18 juin 2004 Conclusions Létude détaillée de lémission haute énergie, jointe à dautres données astrophysiques, peut apporter des contraintes fondamentales sur la physique des jets relativistes autour dun trou noir. Les données actuelles défavorisent le modèle « standard » : choc dans un jet relativiste à grand facteur de Lorentz Modèle à deux fluides compatible avec les observations: petit facteur de Lorentz, jet continu Développement de modèles dépendant du temps en cours.