X-ray Observations of Accreting Compact Objects

Language
en
Document Type
Doctoral Thesis
Granting Institution
Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU), Naturwissenschaftliche Fakultät
Issue Date
2024
Authors
König, Ole
Editor
Abstract

In meiner Dissertation untersuche ich die Physik akkretierender kompakter Objekte in Doppelsternsystemen. Die Akkretion von Materie eines Begleitsterns führt zu der Bildung einer turbulenten Scheibe um das kompakte Objekt, die effizient gravitative potenzielle Energie in Strahlung umwandelt. In Schwarzlochdoppelsternen kann stark variable Röntgenstrahlung mit weltraumbasierten Teleskopen detektiert werden. Sie entsteht durch Comptonisierung in direkter Nähe des Schwarzen Lochs. Die genaue Geometrie dieser Region ist jedoch umstritten. Bereits kurz nach der Entdeckung des ersten Schwarzen Lochs, Cygnus X-1, wurde erkannt, dass die Variabilität im harten Röntgenwellenlängenbereich genutzt werden kann um Aussagen über die Struktur der innersten Region des Systems zu treffen. Wie sich jedoch die Variabilität der Akkretionsscheibe auf das generelle Verhalten der Quelle auswirkt, kann nur zuverlässig in der weichen Röntgenstrahlung betrachtet werden. Diese Studien sind in den letzten Jahren durch eine neue Röntgenmission möglich geworden.

Cygnus X-1 zeigt Übergänge zwischen einem spektral harten Zustand, der von comptonisierter Emission dominiert ist, und einem weichen Zustand, in dem die Strahlung der Akkretionscheibe dominiert. In meiner Arbeit untersuche ich zum ersten Mal die Variabilität von Cygnus X-1 bei Energien <1keV in diesen Zuständen anhand der Neutron Star Interior Composition Explorer (NICER) Beobachtungskampagne. Ich untersuche die Verbindung der Variabilität zwischen niedrigen und hohen Energien, welche sehr kohärent im harten Spektralzustand ist. Die hohe Kohärenz zeigt, dass es einen Prozess gibt, der die Variabilität verbindet, was stark vermuten lässt, dass es einen kausalen physikalischen Zusammenhang zwischen den Fluktuationen der Akkretionsscheibe und der Variabilität in der comptonisierenden Region gibt. Ich zeige, dass sich dieser Prozess im weichen Spektralzustand fundamental ändert, da die Variabilität inkohärent wird.

Im harten Spektralzustand können zwei etablierte Variabilitätskomponenten identifiziert werden. Ich zeige, dass diese Komponenten vermutlich individuellen physikalischen Prozessen in der Akkretionsscheibe und der comptonisierenden Region zugeordnet werden können. Ich entdecke ein neues Variabilitätsphänomen, das klar zwischen diesen beiden Variabilitätskomponenten lokalisiert und nur bei niedrigen Energien zu sehen ist. Es kann charakterisiert werden durch eine abrupte Änderung in den Ankunftszeiten der harten (>2keV) und weichen (<1,5keV) Photonen, zusammen mit einer Reduktion der Kohärenz. Das Phänomen ist fundamental mit den Variabilitätskomponenten verbunden und folgt ihrer wohlbekannten Verschiebung zu höheren Frequenzen wenn Cygnus X-1 weicher wird. Ich zeige, dass das Phänomen nicht nur eine Eigenschaft von Cygnus X-1 ist, sondern auch im harten Spektralzustand von transienten Röntgendoppelsternen zu sehen ist, was die Entdeckung einer neuen generellen Eigenschaft akkretierender Schwarzer Löcher in Doppelsternsystemen suggeriert.

Im zweiten Teil meiner Dissertation betrachte ich einen Nova Ausbruch eines akkretierenden Weißen Zwerges. In Doppelsternsystemen mit einem Spenderstern sammelt sich wasserstoffreiche Materie in einer Hülle auf der Oberfläche des Weißen Zwerges. Sobald die Hülle eine kritische Masse erreicht hat, startet eine instabile thermonukleare Explosion, wodurch die Hülle abrupt expandiert und ihre meiste Masse verliert. Dieser Ausbruch wird Nova genannt. Seit über 30 Jahren sagt die Novatheorie die Existenz einer "Feuerball" Phase voraus, die direkt der Kettenreaktion folgt. Diese Phase sollte als weicher, heller und kurzer Röntgenblitz zu sehen sein, bevor die Nova im optischen Licht sichtbar wird. Der Blitz ist jedoch schwierig zu detektieren, da Novae normalerweise durch ihren Helligkeitsanstieg im sichtbaren Licht entdeckt werden. Zu diesem Zeitpunkt ist der Röntgenblitz schon vorbei.

Ich präsentiere die klare Detektion eines extrem hellen und sehr weichen Röntgenblitzes von der klassischen galaktischen Nova YZ Reticuli, beobachtet mit dem extended ROentgen Survey with an Imaging Telescope Array (eROSITA) Weltraumteleskop. Der Blitz fand 11 Stunden vor dem 9 Magnituden starken Anstieg im optischen Licht statt und hatte eine maximale Helligkeit von 3,7 Magnituden. Auf der Südhalbkugel war die Quelle für etwa fünf Tage mit dem bloßen Auge sichtbar. Vier Stunden vor und nach dem Ereignis wurde keine Röntgenquelle detektiert, wodurch die Dauer des Blitzes auf unter acht Stunden begrenzt werden konnte. Diese Detektion kann eindeutig der Feuerballphase von YZ Reticuli zugeordnet werden.

Die Hauptherausforderung der Analyse ist die extreme Helligkeit der Quelle, die zu schwerwiegender Übersättigung im Detektor führte. Ein detailliertes Verständnis der physikalischen Prozesse im Halbleitermaterial ist notwendig, um die resultierenden Verzerrungen des Spektrums zu verstehen. Der Simulator SIXTE ist in der Lage, diese komplexen Detektoreffekte zu modellieren. Mithilfe eines simulationsbasierten Minimierungsprozesses kann ich so die physikalischen Parameter der Quelle rekonstruieren, insbesondere die Temperatur, Leuchtkraft und Absorption der Photosphäre.

In Übereinstimmung mit theoretischen Vorhersagen kann das Spektrum der Quelle mit einem Schwarzkörper einer Temperatur von 3,27+0,11-0,33 x 105 K (28,2+0,9-2,8 eV), oder eines Atmosphärenmodells, modelliert werden. Die Photosphäre emittiert mit der Eddington-Leuchtkraft und ist nur etwas größer als ein Weißer Zwerg. Diese Detektion einer expandierenden Photosphäre eines Weißen Zwergs vor der Abstoßung der Hülle bildet das letzte Verbindungsstück des vorhergesagten photosphärischen Lichtkurvenverlaufs und eröffnet neue Möglichkeiten, um die gesamte Energetik der Nova zu vermessen.

Abstract

In my dissertation, I study the physics of accreting compact objects in binary systems. Accretion of matter from a stellar companion leads to the formation of a turbulent disk around the compact object, which efficiently converts gravitational potential energy into radiation. In black hole binaries, strongly variable X-rays can be detected with space-based telescopes. This radiation originates from Comptonization in a region of disputed geometry in the direct vicinity of the black hole. Already shortly after the discovery of the first black hole, Cygnus X-1, it was realized that the hard X-ray variability can be used to probe the innermost region of the system. How the variability of the accretion disk impacts the general behavior of the source, however, can only be reliably studied in the soft X-ray regime. In recent years, these studies have become possible with a new X-ray mission.

Cygnus X-1 shows transitions between a spectrally hard state, where the emission is dominated by Comptonization, and a soft state, where the accretion disk dominates the radiation. For the first time, I study the variability properties of Cygnus X-1 at soft X-rays <1keV in these spectral states using the monitoring campaign of the Neutron Star Interior Composition Explorer (NICER). I study the connection of the variability at low and high energies, which is highly coherent in the hard state. The high coherence shows that there is a process at work which links the variability, providing evidence for a causal physical connection between the fluctuations from the accretion disk and the variability of the Comptonized emission. I show that this process fundamentally changes in the soft state, where the variability becomes incoherent.

In the hard state, two well-known variability components can be identified. I show that these components likely represent individual physical processes associated with the disk and Comptonized emission. I discover a new variability phenomenon that is prominently seen in between the two variability components, and only emerges at low energies. It can be characterized by an abrupt change of the arrival times of hard (>2keV) and soft (<1.5keV) photons, together with a coherence drop. This feature is fundamentally connected to the variability components, and follows their well-known shift to higher frequencies as Cygnus X-1 softens. I show that the feature is not only a property of Cygnus X-1 but is also clearly detected in the hard state of transient low-mass X-ray binaries, suggesting a new general property of accreting black hole binaries.

In the second part of my thesis, I study a nova outburst of an accreting white dwarf system. In a binary system with a donor star, hydrogen-rich material accumulates in an envelope on the surface of the white dwarf. Once the envelope has reached critical mass, the system undergoes runaway thermonuclear burning, which results in the envelope to expand rapidly and to eject most of its mass. This outburst is called a nova. For more than 30 years, nova theory has predicted the existence of a "fireball" phase following directly on from the runaway fusion, which should be observable as a short, bright, and soft X-ray flash before the nova becomes visible in the optical. This flash is difficult to observe because novae are usually discovered when the source rises in the visual light. At this time, the X-ray flash has, however, already ceased.

I present the unequivocal detection of an extremely bright and very soft X-ray flash of the classical Galactic nova YZ Reticuli observed with the extended ROentgen Survey with an Imaging Telescope Array (eROSITA) space telescope. The flash occurred 11 hours before its 9 mag optical brightening. The source had a peak brightness of 3.7 mag, and was visible to the naked eye in the southern hemisphere for about five days. No X-ray source was detected 4 hours before and after the event, constraining the duration of the flash to shorter than 8 hours. The detection can be clearly associated with the fireball phase in YZ Reticuli.

The main challenge of this analysis is the extreme brightness of the source, which led to severe pile-up in the detector. A detailed understanding of the physical processes in the semiconductor detector is necessary to understand the resulting spectral distortions. The simulator SIXTE is capable of modeling these complex detector effects. Using a simulation-based fitting approach, I could reconstruct the physical parameters of the source, in particular, the temperature, luminosity, and absorption of the photosphere.

In agreement with theoretical predictions, the source's spectral shape is consistent with a black body of 3.27+0.11-0.33 x 105 K (28.2+0.9-2.8 eV) radiating at the Eddington luminosity, with a photosphere that is only slightly larger than a typical white dwarf. This detection of the expanding white dwarf photosphere before the ejection of the envelope provides the last link of the predicted photospheric lightcurve evolution and opens a new window to measure the total nova energetics.

Citation

König, O. et al., X-ray detection of a nova in the fireball phase, Nature, Volume 605, Issue 7909, p. 248–250, 2022, DOI: 10.1038/s41586-022-04635-y

Description

Kapitel 5: König, O. et al, Long term variability of Cygnus X-1. VIII. A spectral-timing look at low energies with NICER, Astronomy & Astrophysics, submitted

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