Akkretionsscheibenwetter von Schwarzlochröntgendoppelsternen - Der Fall Cygnus X-1

Abstract

Die Röntgenemission, die bei der Akkretion von Materie auf ein Schwarzes Loch entsteht, bietet die Möglichkeit, den Einfluss dieser Objekte auf ihre Umgebung zu untersuchen. Der Schwerpunkt dieser Arbeit liegt auf stellaren Schwarzen Löchern in Röntgendoppelsternsystemen (BHXRBs). Eine systematische Untersuchung ihrer Röntgenvariabilität und die sich daraus ergebenden Einschränkungen für aktuelle Akkretionsmodelle werden vorgestellt. Die Einleitung beschreibt die historische Entdeckung von BHXREBs, stellt die Objektklassen vor, und gibt einen Überblick über die bekannten Quellen und die Cyg X-1 Beobachtungskampagne. Kap. 2 fasst die Eigenschaften der verschiedenen BHXRB Emissionszustände sowie der assoziierten physikalischen Modelle zusammen. In Kap. 3 werden die verwendeten Zeitreihenanalysemethoden - hauptsächlich Fourier Statistiken höherer Ordnung - beschrieben und durch Beispiele illustriert. Die anschliessenden Kapitel sind der Analyse des Cyg X-1 Monitorings (1996-2001) gewidmet: Kap. 4 beschäftigt sich mit der zeitlichen Entwicklung der Zeitverzögerungen zwischen verschiedenen Energiebändern, deren Untersuchung u.a. zur Definition der 'fehlgeschlagenen' Zustandsänderungen geführt hat. Kapitel 5 konzentriert sich auf die Modellierung der Variabilitätsspektren mit Lorentzfunktionen, wobei zum ersten Mal gezeigt werden konnnte, dass dies für alle Cyg X-1 'Hard State' Beobachtungen konsistent möglich ist. Das abschliessende Kapitel diskutiert die Ergebnisse u.a. vor dem Hintergrund neuerer Röntgendoppelsternstudien. Sowohl die Untersuchung der Zeitverzögerungen wie auch die Modellierung der Variabilitätsspektren weisen auf eine vertikale Vergrösserung der Akkretionsregion während Zustandsänederungen hin. Dies unterstützt kürzlich entwickelte Jet-Disk Modelle, in denen ein Anteil des Materials in der Akkretionsregion nicht vom Schwarzen Loch 'verschluckt' wird, sondern dessen Umgebung in Form eines 'Outflows' wieder verlässt.

The X-ray emission produced by accretion of matter onto a black hole gives us the unique opportunity to study the influence of these fascinating objects on their surroundings. This thesis focuses on stellar mass black holes in X-ray binary systems (BHXRBs) and presents a systematic study of their variability and its implication for current accretion models. To this end regular multiwavelength observations of Cyg X-1 were performed, especially with the Rossi X-Ray Timing Explorer.

The introductory chapter describes the historical discovery of BHXRBs, introduces the different object classes, and gives an overview of known sources and of the observing campaign for Cyg X-1. The following chapter summarizes the observational properties of the different emission states of BHXRBs and the corresponding physical models. In chapter 3 the applied time series analysis methods - mainly recently developed higher order Fourier statistics - are described, illustrated by examples (up to ~100 Hz).

Chapters 4 and 5 present the results of analyzing the Cyg X-1 monitoring from 1996 to 2001. The main objective of chapter 4 is to study the temporal evolution of the time lags between different energy bands, leading, e.g., to the definition of 'failed' state transitions. Chapter 5 concentrates on modeling the power spectra with discrete Lorentzians, showing for the first time that this is possible for all Cyg X-1 hard state observations in a consistent way.

The final chapter discusses the results in the light of recent X-ray binary studies. A physical accretion scenario is proposed: both approaches - studying the lags as well as modeling the power spectra - indicate a vertical expansion of the accretion region during state transitions. Thus recent jet-disk models are strongly supported where a fraction of the material in the accretion region is not 'swallowed' by the black hole but leaves its neighborhood again in form of an outflow.