Unveiling the Wind Structure of the Vela X-1 High-Mass X-ray Binary: Insights from XMM-Newton and NuSTAR observatories

Abstract

Röntgendoppelsternsysteme mit massereichen Begleitern (High Mass X-ray Binaries, HMXBs) sind wertvolle Laboratorien, um die Akkretion auf kompakte Objekte zu ver- stehen und Rückschlüsse auf das interstellare Medium zu ziehen. Außerdem können sie aufgrund ihrer hohen Leuchtkraft aus großer Entfernung beobachtet werden, was ihre Entdeckung erleichtert. Bei der Untersuchung von HMXBs gibt es eine Reihe offener Fragen, deren Beantwortung das gesamte Gebiet voranbringen würde. Eine einzigartige Möglichkeit, die Akkretionsmechanismen zu untersuchen, besteht darin, die Struktur der Sternwinde zu studieren, indem man die spektralen und zeitlichen Eigenschaften der HMXBs betrachtet. Die Struktur der Akkretions- und Photoionisationsschleppe im Wind und ihre Eigenschaften sind noch wenig bekannt und wurden bisher nicht systematisch untersucht. Das archetypische HMXB Vela X-1 ist eines der wichtigsten Systeme für solche Untersuchungen. Es besitzt einen komplexen, klumpigen Sternwind, ausgeprägte Zyklotronlinien und ist von der Erde aus von der Seite sichtbar, was die zeitliche und spektrale Analyse erleichtert. In dieser Arbeit analysieren wir zwei neue Beobachtungen von NuSTAR und XMM- Newton zu den Bahnphasen ∼ 0, 36–0, 52 (kurz bevor sich der Neutronenstern in der unteren Konjunktion befindet, d.h. zwischen dem Beobachter auf der Erde und dem begleitenden Überriesen) und ∼ 0, 68–0, 78. Wir modellieren die Variabilität des Kontinu- ums und der lokalen Absorption, indem wir die Entwicklung der spektralen Parameter auf der Zeitskala der Pulsperiode verfolgen. In Diez et al. (2022) modellieren wir die NuSTAR-Daten unter Verwendung eines partiellen Bedeckungsmodells mit einem absorbierten Potenzgesetz-Kontinuum, das durch einen hochenergetischen Abknick modifiziert wird, um die Absorption sowohl durch den Wind als auch durch das interstellare Medium zu berücksichtigen. Die Verwendung eines Modells mit partieller Bedeckung erlaubt es, die lokale Variation der Absorption zu verfolgen und zu untersuchen, ob der Wind Klumpen enthält. Die starke Variabilität der Absorption, die während der Bewegung des Neutronensterns entlang seiner Bahn beobachtet wird, hängt mit Akkretions- und Photoionisationsschleppen zusammen. Wir beobachten eine flussabhängige Korrelation der spektralen Parameter des Kontinuums, was auf eine Änderung der Plasmaeigenschaften und des Akkretionsregimes hideutet. Die wichtigsten Merkmale, die die Natur und Struktur des Sternwindes beschreiben, liegen jedoch bei niedrigeren Energien, die von NuSTAR nicht erfasst werden. In Diez et al. (2023) stellen wir Analysen von Beobachtungen bei φorb ≈ 0,36–0,52 vor, die gleichzeitig von NuSTAR und XMM-Newton erfasst wurden. Letzteres ermöglicht eine Energieabdeckung bis hinunter zu 0, 5 keV und damit den Zugang zu einer Vielzahl von Emissionslinien. Aufbauend auf unseren Modell- und Kontinuumsergebnissen aus der vorangegangenen NuSTAR-Analyse können wir erstmals das Einsetzen der Schleppe mit hoher zeitlicher Auflösung verfolgen. Wir untersuchen auch das Vorkommen von hochionisierten Atomen im Plasma zusammen mit quasi-neutralen Ionen, was auf Tem- peraturänderungen im Plasma hinweist.

High-mass X-ray binaries (HMXBs) are fundamental laboratories to understand accre- tion onto compact objects and provide feedback on the interstellar medium. Moreover, they can be observed at far distances thanks to their high luminosities that facilitate their detection. There are several open questions surrounding the study of HMXBs, answer- ing which would bring the whole field forward. In particular, a unique opportunity to investigate the accretion mechanisms is through stellar wind structure studies provided by the spectral and timing characteristics of HMXBs. The structure of the accretion and photoionisation wakes in the wind and their properties are still poorly understood and have so far not been systematically studied. The archetypical HMXB Vela X-1 is one of the key systems for such studies. It has a complex clumpy stellar wind, prominent cyclotron lines and it is seen edge-on from the Earth thus facilitating timing and spectral analyses. In this work, we analyse two new observations taken with NuSTAR and XMM-Newton at orbital phases ∼ 0.36–0.52 (shortly before the neutron star is in inferior conjunction, i.e. is located between the observer on Earth and the supergiant companion star) and ∼ 0.68–0.78. We model the continuum and local absorption variability by following the evolution of spectral parameters down to the pulse period timescale. In Diez et al. (2022), we model NuSTAR data using a partial covering model with an absorbed powerlaw continuum modified by a high-energy cutoff to account for the absorption from both the wind and the interstellar medium. The use of a partial coverer allows us to follow local absorption variability and to probe the presence of clumps in the wind. The strong absorption variability observed as the neutron star moves along the orbit is associated to the presence of the accretion and photoionisation wakes. We observe a flux dependent correlation of the continuum spectral parameters which indicates a change in the properties of the plasma and accretion regime. However, the main features describing the nature and the structure of the stellar wind are imprinted at lower energies that are not covered by NuSTAR. In Diez et al. (2023), we present the analyses of the observation at φorb ≈ 0.36–0.52 simultaneously covered by NuSTAR and XMM-Newton. The latter enables an energy coverage down to 0.5 keV giving us access to a plethora of emission lines. Building on our model and continuum results from the previous NuSTAR analysis, we are able to trace the onset of the wakes for the first time with high-time resolution. We also probe the presence of highly ionised atoms in the plasma together with near-neutral ions thus indicating changes in temperature of the plasma.