Long-term x-ray variability of active galactic nuclei and x-ray binaries

Abstract

In this thesis I present long-term X-ray variability studies of sources belonging to two of the big groups of objects present in the X-ray universe: the Active Galactic Nuclei (AGN) and the X-ray Binaries (XRBs).

After an introduction to X-ray astronomy in chapter 1, a description of the classification, obser-vational properties, and variability characteristics of AGN and XRBs are presented in chapter 2. Chapter 3 refers to mathematical methods for the time series analysis. Currently, two methods for the variability analysis of astronomical sources, especially in searching for periodic signals, are common in astronomy: periodogram analysis and epoch-folding. Other methods, as the dynamical power spectra or the wavelet decomposition of the light curve, can give information on the possible variable spectral properties of the data (i.e., change of periods, amplitude, and phases). Methods to examine the X-ray variability directly in the time domain, as the Structure Function (SF) and Excess Pair Fraction (EPF), are also commonly used in time-series analysis in astronomy. An alternative analysis method in the time domain is the Linear State Space Model (LSSM) which explicitly models the noise of astronomical data and allows to estimate the hidden stochastic process. For the detection of periodic signals, it is worth scrutinizing the methods used to determine their significance. Methods to compute significance levels for the existence of QPOs in X-ray light curves which take the red-noise character of the astronomical objects into account are discussed in chapter 4.

The following chapters of the thesis contain the results of long-term variability studies applying the methods and theory described in the previous chapters. In chapter 5 two variability studies of AGN are presented. I report on the analysis from ~110 ks of X-ray observations of the AGN Cen A carried out with the Rossi X-ray Timing Explorer (RXTE ) satellite between 1996 and 2000. Spectral and temporal variability on time scales from years to tens of minutes are present. The X-ray spectrum can be well described by a heavily absorbed power-law with photon index 1.8 and a narrow iron line due to fluorescence of cold matter. The measured column depth decreased by about 30% between 1996 and 2000, while the detected 2-10 keV continuum flux remained constant between 1996 and 1998, but increased by 60% in 2000. Since in all observations the iron line ux did not vary, a corresponding decrease in equivalent width was noted. No appreciable evidence for a reection continuum in the spectrum was detected. We present the interpretation of the iron line strength through Monte Carlo computations of various geometries.

Applying epoch-folding and periodogram analysis to the XMM-Newton observation of the Sey-fert galaxy Mrk 766, a possible QPO at a time scale of 4200 s has been reported. Our computation of the significance of this QPO, however, shows that the 4200 s peak is not significant at the 95% level. We conclude that the 4200 s feature is an artifact of the red-noise process and not the result of a physical process within the galaxy.

In chapter 6 temporal variability behavior from long-term light curves obtained with the All-Sky Monitor (ASM) on board the RXTE is reviewed. Results of searches for periodicities in the ASM light curves from X-ray binaries are presented. The ASM light curves show a wide variety of phenomena.

In conclusion, chapter 7 presents a summary and outlook on future work.

In dieser Dissertation beschäftige ich mich mit der Langzeitvariabilität von zwei Klassen von Röntgenobjekten: Aktiven Galaxiekernen (engl. Active Galactic Nuclei, AGN) und Röntgendoppelsternen (engl. X-ray Binaries, XRBs).

Nach einer Einleitung in die Röntgenastronomie im Kapitel 1 folgt in Kapitel 2 eine Beschreibung der Klassifikationen, der beobachteten Eigenschaften und der Variabilitätscharakteristika von AGN und von XRBs.

Kapitel 3 bezieht sich auf mathematische Methoden der Zeitreihenanalyse. Zur Zeit werden in der Astronomie vor allem zwei Techniken für die Variabilitätsanalyse, speziell der Periodensuche, angewandt: Periodogramm- und Faltungsmethoden. Andere Methoden, wie das dynamische Periodogramm oder die Wavelet-Zerlegung einer Lichtkurve können Informationen über eine mögliche spektrale Variabilität der Daten (d.h. eine Änderung von Perioden, Amplituden und Phasen) geben. Methoden, welche die Röntgenvariabilität direkt im Zeitbereich überprüfen, wie die Strukturfunktion (SF) und das excess pair fraction (EPF), werden ebenfalls häufig in der astronomischen Zeitreihenanalyse verwendet. Eine weitere Methode im Zeitbereich ist das lineare Zustandsraummodell (LSSM) welches das Rauschen in den Daten explizit modelliert und eine Abschätzung des versteckten stochastischen Prozesses erlaubt.

Im Anschluss daran werden in Kapitel 4 Methoden besprochen, welche die Signifikanzniveaus für das Bestehen von QPOs in Röntgenlichkurven bestimmen und die den Charaker des roten Rauschens der astronomischen Objekte in Betracht ziehen.

Die folgenden Kapitel dieser Dissertation enthalten Ergebnisse von Langzeitvariabilitätsstudien, in denen die in den vorhergehenden Kapiteln beschriebenen Methoden und Theorien angewendet wurden. In Kapitel 5 werden zwei Variabilitätsstudien von AGN vorgestellt. Ich berichte über die Analyse von insgesamt ~110 ks Beobachtungen des AGN Cen A, die mit dem Satelliten Rossi X-ray Timing Explorer (RXTE ) zwischen 1996 und 2000 durchgeführt wurden. Spektrale und zeitliche Variabilitäten auf Zeitskalen von Jahren bis zu Minuten sind zu beobachten. Das Röntgenspektrum kann durch ein stark absorbiertes Potenzgesetz mit Photonenindex 1.8 und einer schmalen Eisenlinie gut beschrieben werden. Die gemessene Säulendichte verringerte sich um ungefähr 30% zwischen 1996 und 2000, während der ermittelte 2-10 keV Kontinuums-Fluss zwischen 1996 und 1998 konstant blieb, jedoch in 2000 um 60% zunahm. Da in allen Beobachtungen der Fluss der Eisenlinie nicht schwankte, wurde eine entsprechende Abnahme ihrer Äquivalentsbreite beobachtet. Es wurde kein Hinweis auf ein Reflexions-Kontinuum im Spektrum gefunden. Wir stellen die Deutung der Stärke der Eisenlinie durch Monte-Carlo Simulationen verschiedener Geometrien dar.

Durch die Anwendung von epoch-folding und Periodogrammanalyse auf eine XMM-Newton Beobachtung der Seyfert Galaxie Mrk 766, konnte über eine mögliche QPO auf einer Zeitskala von 4200 s berichtet werden. Unsere Berechnung der Signifikanz dieser QPO zeigt jedoch, dass die 4200 s Modulation nicht auf dem 95% Niveau signifikant ist. Ich stelle fest, dass die 4200 s Eigenschaft ein Kunstprodukt des roten Rauschen und nicht das Resultat eines physikalisches Prozesses innerhalb der Galaxie ist.

In Kapitel 6 wird die Zeitvariabilität von Langzeitlichtkurven, die mit dem All-Sky Monitor (ASM) an Bord des Rossi X-ray Timing Explorer RXTE gewonnen wurden, untersucht. Resultate der Suche nach Periodizitäten in den ASM Lichtkurven von Röntgendoppelsternen werden dargestellt. Die ASM Lichtkurven zeigen eine grosse Vielzahl von Phänomenen.

Zum Abschluss dieser Dissertation gibt Kapitel 7 eine Zusammenfassung und einen Ausblick auf zukünftige Arbeiten.