Temporale und spektrale Untersuchungen des Röntgendoppelsternsystems Her X-1/HZ Herculis

Abstract

30 Jahre sind seit der Entdeckung des Röntgendoppelsternsystems Her X-1/HZ Herculis durch den Satelliten UHURU vergangen. Mittlerweile gehört dieses Objekt neben Cyg X-1 zu den best untersuchten Objekten der Röntgenastronomie. Doch auch nach so vielen Jahren der Erforschung dieser Objekte gibt es immer noch zahlreiche Phänomene, die der Erklärung bedürfen.

Zunächst werden in dieser Arbeit die Grundlagen der Astronomie im Allgemeinen und der Röntgendoppelsternsysteme im Speziellen erläutert (Kapitel 1). Anschließend wende ich mich der Beschreibung des Röntgendoppelsternsystems Her X-1/ HZ Her zu und fasse zusammen, was unser derzeitiger Stand des Wissens über dieses Objekt ist (Kapitel 2).

In dieser Arbeit werden sowohl Beobachtungen von Röntgensatelliten als auch erdgebundene optische Beobachtungsdaten ausgewertet. Die aus dem Röntgenbereich analysierten Daten stammen von dem amerikanischen Röntgensatelliten RXTE (Rossi-X-Ray-Timing-Experiment). Die optischen Beobachtungsdaten wurden von unterschiedlichsten Arbeitsgruppen auf der ganzen Welt im Verlauf der letzten 27 Jahre gemacht. Diese enorme Datenbasis von fast 17000 Datenpunkten verteilt über vier Spektralbänder werden unter verschiedenen Gesichtspunkten in dieser Arbeit analysiert.

Mittels der Röntgendaten wurden Untersuchungen über die Form des Pulses von Her X-1 vorgenommen. Dabei stellte ich eine Abweichung der Pulsform von der ansonsten bekannten fest. Nähere Untersuchungen ergaben, dass das Auftreten dieser Pulsform mit einer verminderten Akkretionsrate erklärt werden kann (Kapitel 3).

Des Weiteren wurde die Lage der Zyklotronresonanzlinie phasenaufgelöst untersucht. Aufgrund einer Änderung der Zyklotronlinienenergie zwischen 1991 und 1993 um 23%, von 34 auf 41 keV (Gruber et al., 2001) konnten die Daten nur relativ und nicht absolut mit alten Beobachtungen verglichen werden. Die von Voges et al., (1982) und Soong et al (1990) gefundenen Ergebnisse konnten jedoch tendenziell bestätigt werden (Kapitel 4).

Aus den optischen Daten von HZ Her, dem Begleiter von Her X-1, wurde die Variation des optischen Profils näher untersucht. Aufgrund des großen Datensatzes konnten die bereits von Gerend & Boynton (1976) gefunden Variationen noch deutlicher herausgearbeitet werden. Es ist außerdem gelungen, ein Modell zu entwickeln, das die Möglichkeit bietet Turn-Ons aufgrund aktueller Beobachtungen vorauszusagen (Kapitel 5).

Als Abschluss wurde ein existierender Programmcode für Doppelsterne um eine Akkretionsscheibe erweitert. Dabei lag das Hauptaugenmerk auf den Eigenschaften des Röntgendoppelsternsystems Her X-1/HZ Her und seinen Eigenheiten. Mittels der Simulation war es möglich, die wesentlichen Eigenschaften der Lichtkurve von HZ~Her zu reproduzieren. Es wurde ausserdem möglich die Bewegung der Hot Spots auf der Oberfläche des optischen Begleiters zu beschreiben. (Kapitel 6).

30 years passed since the discovery of the X-Ray-Binary Her X-1/HZ Herculis by the satellite UHURU. Meanwhile this object belongs beside Cyg X-1 to the best examined objects of the X-Ray astronomy. But also after so many years of studying these objects there are still numerous questions open, which need to be explained. The bases of the astronomy are considered first in this work in generally and the X-ray binaries in special (chapter 1). Thereafter I turn to the description of the x-ray binary Her X-1/HZ Her and summarise our present knowledge about this object (chapter 2). In this work both observations of X-ray satellites and ground-based optical observation data are evaluated. The analysed X-ray data was gathered from the American X-ray satellite RXTE (Rossi X-ray Timing experiment). The optical observation data were made by most different working groups in the whole world in the process of the last 27 years. This huge database from nearly 17000 data points distributed over four spectral bands are analysed under different criteria in this work. Investigations analysed the pulse shape of HerX-1 using the x-ray data. I determined a deviation of the pulse shape from the well-known mean shape. Detailed investigations showed that the occurrence of this pulse shape is connected with a decrease in the accretion rate (chapter 3). Furthermore the position of the cyclotron line was tested phase resolved. According to a shift in the cyclotron line energy between 1991 and 1993 by 23 % from 34 to 41 keV Gruber et al (2001), the results could not be compared directly to the older observations. The results derived by Voges et al. (1982) and Soong (1990) could be reproduced (chapter 4). Using the optical data from HZ Her, the optical companion of Her X-1 the variation of the optical profile was investigated more intense. According to the huge amount of data points the results found by Gerend & Boynton (1976) were improved. In addition I succeeded to develop a model that offers the possibility to forecast Turn-Ons on the basis of current observations (chapter 5). In the end an existing program source code simulating binary stars was extended by an accretion disc option. The main focus was on the x-ray binary Her X-1/HZ Her and its peculiarities. With this simulation it became possible to describe the main characteristics of the shape of the light curve. It became also possible to describe the movement of the Hot Spots on the surface of the optical counterpart (chapter 6).