Strong magnetic fields of accreting neutron stars - Modeling cyclotron resonance scattering features

Abstract

Accreting neutron stars in X-ray binaries are unique astrophysical laboratories for studying the physics of matter under extreme conditions. Not only does their compact nature lead to an amount of gravity only topped by black hole systems; they can also possess extreme magnetic fields, exceeding the highest magnetic field which has ever been produced on Earth by a million times. These magnetic fields dominate the observed radiation characteristics, the most prominent being pulsed emission. The origin and structure of the magnetic fields, however, is still highly enigmatic.

The only direct method currently known for probing the magnetic field of a neutron star is the study of cyclotron resonance scattering features. These features, first discovered in the spectrum of the binary system Hercules X-1, have been observed as absorption lines in the spectra of more than a dozen accreting X-ray pulsars. They form due to resonant scattering processes of high energy photons with quantized electrons in the accreted matter at the neutron star poles. Their line energies are approximately proportional to the surface magnetic field strength of the neutron star. Moreover, the analysis of their shapes is a powerful tool for assessing the fascinating but poorly understood physics of accretion.

Today, with the access to data from satellites like BeppoSAX, RXTE, INTEGRAL and Suzaku, the diagnostic potential of cyclotron lines has grown anew: with these instruments the observed cyclotron line features have been energetically resolved in detail. On the other hand, explicit physical models to understand their complex observed shapes are lacking. Phenomenological models are used to obtain their characteristic parameters and to determine the magnetic field strength. The underlying physics, however, are extremeley difficult to assess with such an approach.

In the scope of this work, cyclotron resonances scattering features are calculated for typical neutron star spectra using Monte Carlo simulations. The line profiles are inferred under the assumptionof physical parameters such as the magnetic field, the accretion geometry, the plasma temperature and optical depth , and the emergent angle of radiation. Based on these simulations, a new interpolation and convolution model is developed for modeling cyclotron lines in X-ray pulsar continua. This model is further implemented as a local model, named cyclomc, into the spectral fitting analysis package XSPEC to allow for a direct comparison with observational data. Results, obtained from fitting cyclotron lines for observations of the X-ray pulsars V0332+53, Cen X-3 and 4U 1907+09 with cyclomc allow for a first glimpse on the physics beyond a phenomenological analysis.

Akkretierende Neutronensterne in Roentgendoppelsternsystemen sind einzigartige astrophysikalische Laboratorien fuer das Studium der Physik unter extremen Bedingungen. Nicht nur bedingt ihre Kompaktheit ein Mass an Gravitation das nur noch von Schwarzlochsystemen uebertroffen wird; sie koennen auch extrem starke Magnetfelder, millionenfach staerker als das staerkste bisher auf Erden erzeugte Magnetfeld, haben. Diese Magnetfelder bestimmen die beobachtbaren Strahlungscharakteristika, darunter das wohl auffaelligste die Emission von Strahlungspulsen. Ursprung und Struktur der Magnetfelder sind allerdings bis heute noch sehr raetselhaft.

Die einzig derzeit bekannte Methode, das Magnetfeld eines Neutronensterns zu vermessen, basiert auf dem Studium von Zyklotronlinien. Diese Spektrallinien wurden erstmals fuer das Doppelsternsystem Hercules X-1 entdeckt. Seitdem sind Zyklotronlinien fuer mehr als ein Dutzend Roentgenpulsare beobachtet worden. Sie entstehen durch resonante Streuprozesse von hochenergetischen Photonen mit quantisierten Elektronen in der akkretierten Materie an den Polen des Neutronensterns. Die Linienenergien sind nahezu proportional zum Oberflaechenmagnetfeld des Neutronensterns. Die Untersuchung ihrer Profile bietet einen maechtigen Zugang zu der faszinierenden jedoch nur schlecht verstandenen Physik der Akkretion.

Der Zugriff auf qualitativ hochwertige Daten von Satelliten wie BeppoSAX, RXTE, INTEGRAL und Suzaku, hat die diagnostische Bedeutung von Zyklotronlinien heutzutage einerseits gesteigert. Andererseits gibt es bisher kein konkretes physikalisches Modell, um ihre komplexen Profile im Detail zu erklaeren. Stattdessen werden die Linienparameter und die Magnetfeldstaerke mit phaenomenologischen Modellen bestimmt. Mit solchen Ansaetzen die zugrunde liegende Physik der Linienentstehung zu erschliessen ist extrem schwierig.

Im Rahmen dieser Arbeit werden Zyklotronlinien mit Monte Carlo Simulationen berechnet. Die Linienprofile werden von Parametern wie dem Magnetfeld, der Akkretionsgeometrie, der Plasmatemperatur und optischen Tiefe, und des Austrittswinkels der Photonen abgeleitet. Darauf aufbauend wird ein neues Interpolations- und Faltungsmodell zur Modellierung von Zyklotronlinien in den Spektren von Roentgenpulsaren entwickelt. Dessen Implementierung als lokales Modell, genannt cyclomc, fuer die XSPEC Spektralanalyse-Software ermoeglicht einen direkten Vergleich mit Beobachtungsdaten. Fitresultate fuer die Beobachtungen dreier Roentgenpulsare, V0332+53, Cen X-3 und 4U 1907+09, mit cyclomc erlauben einen ersten Blick auf die grundlegende Physik ueber einen phaenomenologischen Ansatz hinaus.