X-ray and radio variability of Cygnus X-1

Abstract

Stellar black holes and neutron stars, so-called compact objects, are the final stages in the evolution of massive stars with more than ~8 solar masses. If the mass of a compact object is greater than the theoretical mass limit of a neutron star, the existence of a black hole is the logical consequence within the framework of the general relativity theory.

Cygnus X-1 is an X-ray binary which consists of an O-type supergiant and a black hole accreting mass from its companion. One characteristic of such systems is the powerful emission of temporally and spectrally variable X-ray radiation. Basically, the system can be found in either of two states, referred to as hard state and soft state.

Although Cygnus X-1 is to be counted among the best studied black hole X-ray binaries, its exact geometry is not clear, just as for similar sources. A definite constituent of all models is a mass accretion disk releasing soft X-rays. Less agreement exists with regard to where the hard X-rays originate during the hard state. Most models assume regions where soft disk photons are energized by inverse Compton scattering to hard X-rays. In recent years, several X-ray binaries have been detected to possess matter outflows, so-called jets. Apart from open questions concerning their formation, the contribution of jets in the X-ray regime remains to be clarified.

The subject of this thesis is the variable emission of Cygnus X-1 in the X-ray and in the radio band. The analyzed data span several years and were taken in an X-ray monitoring with the satellite RXTE and simultaneous radio observations with the Ryle Telescope at Cambridge (UK).

After an introductory description of the basic issues in chapter 1, the following chapter 2 summarizes the mathematics to describe variability by Fourier analysis as well as theoretical models of variability and of the underlying physical mechanisms. Apart from phenomenological approaches like the shot noise model, a recently discovered linear relationship between the rms variability and the flux of X-ray lightcurves, the so-called rms-flux relation, is outlined.

In chapter 3 this relation is investigated using the lightcurves of Cygnus X-1. It is shown that the relationship is valid on all time scales > 5 s, both in the hard state and in the soft state. The existence of a non-zero intercept C on the flux axis argues for two lightcurve components, for example, one variable and one non-variable component, or a possible constant variability component. The slope k of the linear rms-flux relation mirrors the fractional variability. The relationship between these two hypothesized components can be described by a fundamental dependence of k and C with long term averages of the flux.

The two following chapters deal with radio-X-ray correlations as they are observed in many black hole X-ray binaries with jets, the so-called microquasars.

Chapter 4 reviews basics of radio astronomy, gives a summary of the radio emission from the jets of microquasars, and introduces possible physical scenarios which could cause the observed radio-X-ray correlations.

In chapter 5 simultaneous X-ray and radio observations of Cygnus X-1 are studied with regard to correlations on short (= minutes to ~ 5 hours) and long time scales (= days to months). The existence of correlations on long time scales, as observed in many microquasars, can be confirmed also with the used database of Cygnus X-1, particularly at hard energies. On the other hand, there is no indication for correlations on short time scales, as they are known, e.g., for GRS 1915+105, another prominent black hole X-ray binary. Apparent correlations on short time scales in the lightcurves of Cygnus X-1 are rather the coincidental outcome of white noise statistics. Interpreting this result as a breakdown of radio-X-ray correlations on shorter time scales, this sets a limit to the speed of the jet of Cygnus X-1.

The last chapter 6 summarizes the main issues of this thesis and gives a brief outlook.

Stellare Schwarze Löcher und Neutronensterne, sogenannte kompakte Objekte, sind Endstadien in der Entwicklung massiver Sterne mit mehr als ~8 Sonnenmassen. Falls die Masse eines kompakten Objekts größer ist als die theoretische Grenzmasse eines Neutronensterns, ist im Rahmen der Allgemeinen Relativitätstheorie ein Schwarzes Loch die logische Konsequenz.

Cygnus X-1 ist ein Röntgendoppelstern, der aus einem O-Überriesen und einem Schwarzen Loch besteht, das von seinem Begleiter Masse akkretiert. Ein Kennzeichen derartiger Systeme ist die starke Emission von Röntgenstrahlung mit hoher zeitlicher und spektraler Variabilität. Grundsätzlich werden zwei Zustände unterschieden, die man als hard state und soft state bezeichnet.

Obwohl Cygnus X-1 zu den am besten untersuchten Schwarzloch-Röntgendoppelsternen zählt, ist die genaue Geometrie dieser, wie auch anderer derartiger Quellen nach wie vor ungeklärt. Fester Bestandteil aller Modelle ist eine Massenakkretionsscheibe, die weiche Röntgenstrahlung abgibt. Weniger Konsens herrscht in Bezug auf den Ursprung der harten Röntgenstrahlung im hard state. Die Mehrheit der bisherigen Modelle nimmt Bereiche an, in denen weiche Photonen aus der Akkretionsscheibe durch inverse Comptonstreuung in harte Röntgenstrahlung umgewandelt werden. In den letzten Jahren wurden im Radiobereich zunehmend Masseausflüsse von Schwarzloch-Röntgendoppelsternen, sogenannte Jets, entdeckt. Neben offenen Fragen zu ihrer Entstehung ist noch ungeklärt, inwieweit Jets zur Röntgenstrahlung beitragen.

In dieser Dissertation wird die variable Emission von Cygnus X-1 im Röntgen- und im Radiobereich untersucht. Dazu werden eine langjährige Beobachtungsreihe des Röntgensatelliten RXTE sowie simultane Radiobeobachtungen des Ryle Telescope in Cambridge (UK) analysiert.

Nachdem im Kapitel 1 auf die oben skizzierten Grundlagen eingegangen wird, widmet sich das Kapitel 2 den mathematischen Methoden zur Beschreibung von veränderlichen Signalen mit Hilfe der Fourieranalyse und stellt theoretische Modelle für die der Variabilität zugrunde liegenden physikalischen Mechanismen vor. Neben phänomenologischen Ansätzen wie dem Shot-Noise-Modell wird auch eine erst vor kurzem im Röntgenbereich gefundene lineare Beziehung zwischen Variabilität und Fluss behandelt.

Im Kapitel 3 wird diese Korrelation am Beispiel von Cygnus X-1 genauer untersucht. Es wird gezeigt, dass sie auf allen Zeitskalen > 5 s, sowohl im hard state als auch im soft state, Gültigkeit besitzt. Die Tatsache, dass diese lineare Beziehung, deren Steigung k die Stärke der Variabilität widerspiegelt, nicht durch den Nullpunkt verläuft, sondern einen Abschnitt C auf der Flussachse markiert, ist ein Indiz dafür, dass die Röntgenlichtkurve von Cygnus X-1 z.B. aus einer konstanten und einer variablen Komponente besteht, oder dass eine konstante Variabilitätskomponente vorliegt. Die Beziehung zwischen diesen beiden angenommenen Komponenten kann durch eine fundamentale Abhängigkeit von k und C vom Mittelwert des Flusses beschrieben werden.

Die beiden folgenden Kapitel beschäftigen sich mit Korrelationen zwischen der Radio- und der Röntgenemission, wie sie in vielen Schwarzloch-Röntgendoppelsternen mit Jets, den sogenannten Mikroquasaren, beobachtet werden.

Das Kapitel 4 rekapituliert einige Grundlagen der Radioastronomie, fasst das bisherige Wissen über die Radioemission aus den Jets der Mikroquasare zusammen und stellt mögliche physikalische Szenarien vor, die zu den beobachteten Radio-Röntgen-Korrelationen führen könnten.

In Kapitel 5 werden simultane Röntgen- und Radiobeobachtungen von Cygnus X-1 unter dem Aspekt von Korrelationen auf kurzen (= Minuten bis ~5 Stunden) und langen Zeitskalen (= Tage bis Monate) ausgewertet. Die in der Forschung schon länger bekannten Korrelationen auf langen Zeitskalen können, besonders bei harten Energien, mit dem vorliegenden Datensatz bestätigt werden. Für Korrelationen auf kurzen Zeitskalen, wie sie z.B. bei GRS 1915+105, einem anderen Schwarzloch-Röntgendoppelstern beobachtet werden, gibt es dagegen keine Anhaltspunkte. Vielmehr müssen bei Cygnus X-1 scheinbare Korrelationen auf kurzen Zeitskalen als zufälliges Resultat von weißem Rauschen gedeutet werden. Interpretiert man diese Ergebnisse als Zusammenbruch der Korrelationen auf kurzen Zeitskalen, so führt dies zur Abschätzung einer relativ niedrigen Geschwindigkeit des Jets von Cygnus X-1.

Im letzten Kapitel 6 werden die Kernpunkte dieser Arbeit zusammengefasst und ein kurzer Ausblick gegeben.