E5 : Observatoire numérique des phénomènes violents d’accrétion en gravité extrême

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  • First GR-HD simulation of a thin disk equilibrium

    GYOTO view of a GR accretion disk

    Collaboration entre AIM, APC et LUTh

    L’avènement de nouveaux observatoires du rayonnement haute énergie dans les dernières décennies a mis en lumière l’existence de puissants mécanismes d’émission photonique s’étalant sur des gammes d’énergie allant jusqu’aux rayons gamma. Il est maintenant admis que les évènements astronomiques les plus énergétiques soient associés aux objets compacts, reliques d’anciennes étoiles très massives. Ces objets sont en proie aux champs de gravité les plus extrêmes de l’Univers et sont soupçonnés d’être de formidables attracteurs de la matière environnante. L’écoulement du plasma dans le voisinage proche des objets compacts ne peut être décrit que dans le contexte de la magnétohydrodynamique en relativité générale (GRMHD). Les équations régissant la GRMHD sont si complexes que seule une approche numérique à haute performance peut permettre de les résoudre. Le sujet de la présente collaboration est d’établir un groupe de travail dédié au développement de simulations GRMHD des écoulements d’accrétion dans le voisinage des objets compacts et à leur mis en relation avec la production d’observations synthétiques de ces évènements violents, un des thèmes majeurs du LabeX UnivEarths.

     

    Objectifs généraux du projet

    La quête pour dévoiler la nature des objets compacts détectés au centre des galaxies actives, au sein des binaires X ainsi qu’au centre de la Voie Lactée, est à la croisée des chemins entre observations haute résolution à multi longueur d’onde et l’avènement de code numériques GRMHD. Notre projet ambitionne d’exploiter cette opportunité en mettant en place une collaboration à long terme entre les membres de trois équipes impliquées dans le LabeX UnivEarths. Chacune de ces équipes a déjà abordé séparément et sous différents angles cette problématique soit sous la forme d’études analytiques, d’observations ou de simulations numérique haute performance.

    Alors que la communauté astrophysique française est à l’heure actuelle en manque d’un code numérique capable de décrire la dynamique d’un plasma magnétisé en relativité générale, le LabeX UnivEarths bénéficie d’une conjonction unique où des plasmiciens numériques, des observateurs en haute énergie ainsi que des numériciens spécialisés en relativité générale sont présents dans la même structure et possède un long historique de collaborations fructueuses. En joignant nos forces, notre but est de soutenir le développement d’un code numérique GRMHD afin de réaliser des simulations numériques d’accrétion de plasma sur objet compact et d’en tirer des observations synthétiques. Une des innovations de notre code consiste en sa capacité à pouvoir gérer n’importe quel type de métriques relativistes, y compris des métriques alternatives calculées numériquement et décrivant des systèmes complexes non accessibles aux métriques analytiques comme par exemple celles de Schwarzschild ou de Kerr.

  • Les trois équipes en interaction

    Notre équipe, qui aborde un nouveau sujet d’étude reliant les différentes expertises, est composée de personnes habituées à travailler ensemble sur une gamme de sujets aussi variés que les sursauts gamma ou les systèmes protoplanétaires. Dans notre projet, nous prévoyons d’utiliser nos approches distinctes pour aborder la création du premier code numérique GRMHD couplé à un code de tracé de rayons relativiste capable de produire des observations synthétiques des environnements d’objets compacts à partir des simulations GRMHD effectuées.

    AIM – Axe haute énergie dirigée par J. Rodriguez

    Cette équipe regroupe des experts d’observations multi-longueur d’onde d’objets compacts et possède un accès privilégié à une gamme importante d’observations au travers de collaborations dédiées. Cette large gamme d’observation leur permet d’aborder la problématique de l’accrétion-éjection et des mécanismes dominant ces systèmes, en particulier en ce qui concerne leur variabilité rapide en X.

    APC – DASCA équipe simulation, dirigée par F. Casse et P. Varniere.

    L’expertise de cette équipe englobe les études analytiques et numériques des systèmes d’accrétion-éjection et leur permet de mettre leurs travaux en contact direct avec les données observationnelles. Ils participent au développement du projet MPI-AMRVAC.
    LUTH – Axe Simulation de fluides relativistes, dirigé par Z. Meliani and E. Gourgoulhon.

    Z. Meliani contribue depuis longtemps au développement du projet MPI-AMRVAC et est maintenant totalement dévoué à l’implémentation et l’utilisation de la GRMHD pour l’étude des objets compacts. E. Gourgoulhon est un des leaders mondiaux dans les applications théoriques et numériques de la relativité générale.

  • Distinguishing an ejected blob from alternative flare models at the Galactic centre with GRAVITY

    The black hole at the Galactic centre exhibits regularly flares of radiation, the origin of which is still not understood. In this article, we study the ability of the near-future GRAVITY infrared instrument to constrain the nature of these events. We develop realistic simulations of GRAVITY astrometric data sets for various flare models. We show that the instrument will be able to distinguish an ejected blob from alternative flare models, provided the blob inclination is >= 45deg, the flare brightest magnitude is 14 <= mK <= 15 and the flare duration is >= 1h30.

  • Distinguishing an ejected blob from alternative flare models at the Galactic centre with GRAVITY

    F. H. Vincent, T. Paumard, G. Perrin, P. Varniere, F. Casse, F. Eisenhauer, S. Gillessen, P. J. Armitage
    (Submitted on 24 Apr 2014)
    The black hole at the Galactic centre exhibits regularly flares of radiation, the origin of which is still not understood. In this article, we study the ability of the near-future GRAVITY infrared instrument to constrain the nature of these events. We develop realistic simulations of GRAVITY astrometric data sets for various flare models. We show that the instrument will be able to distinguish an ejected blob from alternative flare models, provided the blob inclination is >= 45deg, the flare brightest magnitude is 14 <= mK <= 15 and the flare duration is >= 1h30.

     

    Spectral state dependence of the 0.4-2 MeV polarized emission in Cygnus X-1seen with INTEGRAL/IBIS, and links with the AMI radio data

    Jerome Rodriguez, Victoria Grinberg, Philippe Laurent, Marion Cadolle Bel, Katja Pottschmidt, Guy Pooley, Arash Bodaghee, Joern Wilms and Christian Gouiffes
    (Accepted by ApJ)
    Polarization of the > 400 keV hard tail of the microquasar Cygnus X-1 has been independentlyreported by INTEGRAL/IBIS, and INTEGRAL/SPI and interpreted as emission from a compact jet. These conclusions were, however, based on the accumulation of all INTEGRAL data regardless of the spectral state. We utilize additional INTEGRAL exposure accumulated until December 2012, and include the AMI/Ryle (15 GHz) radio data in our study. We separate the observations into hard, soft, and intermediate/transitional states and detect radio emission from a compact jet in hard and intermediate states, but not in the soft. The 10–400keV INTEGRAL (JEM-X and IBIS) state resolved spectra are well modeled with thermal Comptonization and reflection components. We detect a hard tail in the 0.4–2 MeV range for the hard state only. We extract the state dependent polarigrams of Cyg X-1, which all are compatible to no or undetectable level of polarization except in 400–2000keV range in the hard state where the polarization fraction is 75 +/- 32% and the polarization angle 40.0 +/- 14.3. An upper limit on the 0.4–2 MeV soft state polarization fraction is 70%. Due to the short exposure, we obtain no meaningful constraint for the intermediate state. The likely detection of a > 400 keV polarized tail in the hard state, together with the simultaneous presence of a radio jet, reinforce the notion of a compact jet origin of the > 400 keV emission.