L’une des questions ouvertes en astrophysique concerne la formation des trous noirs
supermassifs (SMBHs). Ces trous noirs, dans la plage de masse 10^5-10^10 M⊙, se trouvent
au centre de la plupart des galaxies, même à des valeurs de redshift très élevées (z > 8). Au-
cun modèle actuel ne fait consensus pour expliquer comment ils ont atteint de telles masses
si tôt dans l’histoire de l’Univers. Cela semble nécessiter soit l’existence de progéniteurs
massifs sous la forme des trous noirs de masse intermédiaires dans la plage
de masse 10^2-10^5 M⊙, soit une croissance extrêmement rapide grâce à des coalescences
répétées ou à une accrétion super-Eddington. Alors que la détection des coalescences de
SMBHs ne sera réalisable qu’avec le futur détecteur spatial d’ondes gravitationnelles LISA,
les accréteurs super-Eddington peuvent être détectés et mieux compris avec la génération
actuelle d’observatoires de rayons X. Le but de ma thèse était de trouver de nouveaux ex-
emples de ces accréteurs super-Eddington, en utilisant leur grande variabilité en rayons
X.
Dans cette étude, je m’intéresse principalement à quatre types rares d’accréteurs tran-
sitoires et/ou super-Eddington. Les sources X ultra-lumineuses (ULXs) sont des binaires X
extrêmes, beaucoup plus lumineuses que ce qui peut être expliqué par les modèles habituels
sous-Eddington. Les événements de dislocation de marée (TDEs) sont des émissions tran-
sitoires de rayonnement résultant de la destruction d’une étoile par les forces de marée
autour d’un trou noir, avec des propriétés multi-longueurs d’onde non comprises. Les
TDEs peuvent non seulement présenter une accrétion super-Eddington pendant plusieurs
mois voire années, mais ils peuvent également révéler des IMBHs jusqu’ici invisibles. Les
éruptions quasi-périodiques (QPEs) sont des émissions thermiques de rayons X répétées et
inexpliquées qui semblent être liées aux TDEs. Enfin, les CL-AGNs correspondent à des
noyaux actifs de galaxies (AGNs) dont la classification évolue avec le temps, ce que les
modèles actuels ne peuvent expliquer. Tous ces phénomènes sont rares, transitoires et en-
core mal compris. Augmenter la taille de l’échantillon disponible pourrait être précieux
pour contraindre les modèles et améliorer notre compréhension de ceux-ci, ainsi que de la
physique de l’accrétion en général.
Dans cette optique, j’utilise leur grande variabilité en rayons X comme moyen de trou-
ver davantage d’exemples de ces transitoires rares, cachés parmi les sources fortuites d’archives.
J’ai construit un catalogue d’archives en rayons X multi-instruments à partir de la plupart
des plus grands catalogues de rayons X (XMM-Newton, Swift, Chandra, ROSAT et eROSITA),
incluant les limites supérieures de XMM-Newton. Ce catalogue a deux utilisations.
Tout d’abord, Il est possible de comparer les nouvelles détections de XMM-Newton à
toutes les valeurs d’archive disponibles, ce qui permet de détecter automatiquement de
nouveaux objets transitoires. C’est le pipeline STONKS, actuellement intégré au pipeline
de XMM-Newton. Après des tests sur toutes les données de 2021, on s’attend à détecter
0.7(+0.7−0.5) transitoires en rayons X par jour. Des synergies peuvent être développées entre ce
système de détection quasi-temps réel des transitoires en rayons X et d’autres observatoires
du domaine temporel, tels que le futur observatoire Vera C. Rubin.
Ensuite, d’anciens transitoires jusqu’ici ignorés peuvent être révélés dans les données
d’archives. J’ai mené trois efforts ciblés de fouilles de données, ce qui a permis de détecter
entre 6 et 9 nouveaux candidats TDEs en rayons X, un nouveau candidat PULX et un nou-
veau candidat QPE. Dans chaque cas, cela constitue un ajout non négligeable à l’échantillon
préexistant, confirmant la pertinence de notre méthode. |
One of the current remaining open questions in astrophysics is that of the formation of
Super-Massive Black Holes (SMBHs). These black holes in the mass range 10^5-10^10 M⊙ are
found at the center of most galaxies, even at very large redshift values (z > 8). There is
currently no widely accepted model as to how they reached such large masses this early on
in the history of the Universe, which seems to require either massive seeds in the form of
the elusive Intermediate Mass Black Holes (IMBHs) in the 10^2-10^5 M⊙ range, or extremely
quick growth through repeated mergers or super-Eddington accretion. While detecting
SMBH mergers will be feasible only with the upcoming spaceborne gravitational wave de-
tector LISA, super-Eddington accretors can be detected and better understood with the cur-
rent generation of X-ray observatories. The goal of my PhD was to find more examples of
super-Eddington accretors through their strong X-ray variability.
In this study, I am mainly interested in four rare types of transient and/or super-Edding-
ton accretors. Ultra-Luminous X-ray sources (ULXs) are extreme X-Ray Binaries (XRBs)
that are orders of magnitude brighter than can be explained with the usual sub-Eddington
models. Tidal Disruption Events (TDEs) are transient bursts of radiation arising from the
destruction of a star by the tidal forces around a black hole, with unclear multi-wavelength
properties. They can present super-Eddington accretion for up to a few years, and can also
reveal previously-hidden IMBHs. Quasi-Periodic Eruptions (QPEs) are yet-unexplained re-
peated bursts of thermal X-rays which appear to be linked to TDEs. Finally, Changing-Look
Active Galactic Nuclei (CL-AGNs) correspond to Active Galactic Nuclei (AGNs) for which
the classification evolves over time, which the current models cannot account for. All these
phenomena are rare, transient, and still poorly understood, with only a handful of known
candidates. Increasing their available sample could be valuable in constraining the models
and improving our understanding of them, and of accretion physics in general.
To this end, I use their strong X-ray variability as a way to find more examples of these
rare transients, hiding among the archival serendipitous sources. I built a multi-instrument
X-ray catalog using some of the largest X-ray catalogues (XMM-Newton, Swift, Chandra,
ROSAT and eROSITA), and including XMM-Newton upper limits. This catalog has two
uses.
First, new XMM-Newton detections can be compared to any available archival values,
which allows to automatically detect new transient objects. This is the Search for Tran-
sient Objects in New detections using Known Sources (STONKS) pipeline, currently being
embedded within the XMM-Newton pipeline. After testing on all data from 2021, it is ex-
pected to detect 0.7(+0.7−0.5) X-ray transients per day. Synergies can be built between this X-ray
quasi-real time transient detection system and other time-domain observatories, such as the
upcoming Vera C. Rubin observatory.
Secondly, past transients can be uncovered in the archival data. I lead three targeted
data mining endeavours, which allowed to detect between 6 and 9 new X-ray TDE candi-
dates, a new candidate Pulsating Ultra-Luminous X-ray source (PULX), and a new candi-
date QPE source. In each case, this is a non-negligible addition to the pre-existing sample,
confirming the relevance of my method. |