Observation des raies cyclotron de Vela X-1 par le spectromètre INTEGRAL/SPI

1. Observation des raies cyclotron de Vela X-1 par le spectromètre INTEGRAL/SPI David ATTIÉ Journée Jeunes Chercheurs 2003 Cosmologie et Astrophysique Décembre 2003 Observations de Vela X-1 par SPI / JJC 2003

2. Sommaire Présentation du spectromètre SPI Etalonnage du spectromètre Caractéristiques de la source Vela X-1 Contraintes sur les modèles géométriques et physiques Observations de Vela X-1 par SPI - analyse spectrale - analyse temporelle Conclusions Observations de Vela X-1 par SPI / JJC 2003

3. Le spectro-imageur SPI • Blindage : • PSAC : • Scintillateur Plastique • ACS : • Bouclier d’Anticoïncidence • 91 BGO • (Bismuth Germanate Oxyde) • Réduction du bruit de fond masque PSAC ACS • 127 pavés • 63 opaques (tungstène) • 64 transparents • 3 cm • 1,7 m du plan de détection caméra • 19 Ge de haute pureté • refroidi à 90 K • épaisseur : 6 cm • poids : 19×950 g • surface totale : 508 cm2 Observations de Vela X-1 par SPI / JJC 2003

4. Etalonnage au sol du spectromètre • LES OBJECTIFS • Mesures sur tout le domaine d’énergie (20 keV-8 MeV) sans le masque • étalonnage en énergie (linéarité des gains) • efficacité des détecteurs : photons  produits par : • > 3 MeV, accélérateur Van de Graaf (4 MeV) • < 3 MeV, ~ 12 sources radioactives à 8 m • sensibilité de la caméra • homogénéité du plan de détection • Comparaison avec des mesures faites avec le masque (125m+ESTEC) • Comparaison avec les simulations • Mesure des performances en imagerie • sources de haute intensité placées à 125 m -> validation de la réponse instrumentale (IRF) Observations de Vela X-1 par SPI / JJC 2003

5. Réponse spectrale du spectromètre Seff=Aε Matrice de réponse Etalonnage Etalonnage basse énergie Surface efficace [cm²] Energie [keV] • (Attie et al, A&A 2003) Observations de Vela X-1 par SPI / JJC 2003

6. Etalonnage en vol : spectre crabe 10 10-1 10-3 Flux [coups/s/keV] 10-5 coups/cm2/s/keV 10-7 • (Attie et al, A&A 2003) Observations de Vela X-1 par SPI / JJC 2003

7. Performances du spectromètre Observations de Vela X-1 par SPI / JJC 2003

8. Les caractéristiques de Vela X-1 prototype de pulsar accrétant alimenté par vent stellaire Nom : 4U 0900-40, … Type : binaire X de forte masse (HMXB) variable, éclipsante - étoile supergéante bleue : HD 77581 - étoile à neutrons Distance : ~ 2 kpc (~ 6500 année-lumière) Masse : ~23 M & 1,4 M Rayon : ~30 R Périodes : orbitale : ~ 8,96 jours pulsar : ~ 283 s • -> raies γ d’absorption cyclotron attendues : • fondamental : ~ 26 keV • 1ère harmonique : ~ 52 keV -> contraintes sur le champ magnétique et la géométrie du système Observations de Vela X-1 par SPI / JJC 2003

9. Raies d’absorption cyclotron 30 R 30R 1,7 R* Observations de Vela X-1 par SPI / JJC 2003

10. Description du système Analyse temporelle F T P Photons g Cylindre de plasma Surface du pulsar Pôle magnétique Analyse spectrale F E Axe magnétique Axe rotation P=283 s Cône d’émission radio Photons Observateur Observations de Vela X-1 par SPI / JJC 2003

11. Raies d’absorption cyclotron • Dans un plasma où règne un champ magnétique, l’énergie des électrons est quantifiée à • des valeurs déterminées, appelées niveaux de Landau : • h : constante de Planck • ω : pulsation de l’électron • Ec1 : énergie absorbée durant • la transition entre 2 niveaux avec hω << mec2 • Le premier niveau de quantification correspond à l’énergie Ec1, en unités astrophysiques (gauss, keV, cm), s’exprime alors comme : F Ec1 = 2Ec2 B: champ magnétique [х1012G] E Ec1 Ec2 • Au voisinage d’un pulsar (étoile à neutrons fortement magnétisée en rotation rapide) • -> présence d’un plasma • Par effet Compton inverse, les électrons cèdent leur énergie aux photons • -> un spectre continue dans le domaine des X et des gamma Observations de Vela X-1 par SPI / JJC 2003

12. l = 280° l = 270° l = 250° l= 260° b = 10° Nova Vel 93 Vela X-1 b = 0° GRS 0834-430 PSR B0833-45 γ2Vel b =-10° RX J0852-4642 Vela SNR Observations de Vela X-1 par SPI / JJC 2003

13. Bruit de fond de SPI Plus de 190 raies !!! 210Pb complexe 73mGe K Bi K Pb 71mGe,58mCo complexe 67Zn Identification des raies de bruit de fond instrumentale : intensité & variabilité (Weidenspointner et al, A&A 2003) Observations de Vela X-1 par SPI / JJC 2003

14. Vela X-1 : spectro-imagerie Modèle Observation Résidu Observations de Vela X-1 par SPI / JJC 2003

15. Vela X-1 : courbe de lumière repliée Période : 8.9 jours 26-34 keV Observations de Vela X-1 par SPI / JJC 2003

16. Vela X-1 : courbe de lumière repliée A A B B C C D D Période : 283.69 s 26-34 keV Observations de Vela X-1 par SPI / JJC 2003

17. Conclusions et perspectives • Etalonnage de SPI • Résolution spatiale et spectrale attendue • Validation de la matrice de réponse • -> Papier Attie et al. 2003, publié dans le numéro spécial A&A sur INTEGRAL • Observations de Vela X-1 • Etude des raies cyclotron • -> contraintes sur le champ magnétique • Courbes de lumière • -> information sur la géométrie du système • -> sélection en phase pour augmenter le S/B 106 s supplémentaires en cours d’observation !!! Observations de Vela X-1 par SPI / JJC 2003

18. … Fin Observations de Vela X-1 par SPI / JJC 2003