X-ray observations of the accreting pulsars Her X-1 and EXO 2030+375

Abstract

The dissertation presents the analysis and interpretation of the multi-instrument X-ray observations of two accreting binary pulsars Her X-1 and EXO 2030+375 performed with the X-ray observatories INTEGRAL, RXTE, and Swift.

The intermediate mass X-ray binary system Her X-1/HZ Her was repeatedly observed with RXTE since its launch in 1996. The All Sky Monitor (ASM) aboard the satellite provided almost uninterrupted monitoring of the 2--12~keV flux of the pulsar. In July-August 2005 Her X-1 was observed by the INTEGRAL observatory which covered a substantial part of a main-on state of the system. Using these observations along with the historical data we studied the secular changing of the orbital period of the system; searched for the long-term correlations between the 35-d precessional period of the accretion disk, the 1.24-s pulsation period, and the X-ray luminosity of the source; explored the pulse-averaged and pulse-resolved X-ray spectra of the source; modeled the observed behavior of anomalous dips and post-eclipse recoveries. The following main results were obtained. A new orbital ephemeris of the system was constructed. The value of the secular decrease of its orbital period was improved. The long-term correlations between the 35-d precessional period of the accretion disk and 1.24-s pulsation period as well as between the X-ray luminosity of the source and the 1.24-s period were confirmed. A positive correlation of the cyclotron line energy with the X-ray luminosity of the source was revealed. The observed behavior of anomalous dips and post-eclipse recoveries was reproduced using a numerical model. Spectral changes during X-ray dips were modeled with a partial covering spectral model, assuming that the observed radiation contains both absorbed and non-absorbed contributions. The energy, width, and the depth of the cyclotron line as well as the spectral continuum parameters were found to vary significantly with pulse phase. To explain most of the observed properties of the system a model was used which includes a precessing twisted accretion disk, a freely precessing neutron star, and an accretion stream which moves out of the system's orbital plane.

EXO~2030+375 belongs to the class of Be/X-ray binaries. In June--September 2006 the source entered into the second giant (type II) outburst since its discovery. During the outburst the pulsar was observed with INTEGRAL and Swift. For the first time, the broad band (3--200 keV) X-ray spectrum of the source during a giant outburst was studied. X-ray pulse profiles were explored. The dependence of the spin-up rate on the X-ray luminosity of the source was studied using different accretion torque models. The following main results were obtained. We did not confirm the presence of the cyclotron line in the spectrum of the source (reported previously on the basis of RXTE data). The X-ray pulse profiles were found to be highly luminosity-dependent. The dependence of the spin-up rate on the X-ray luminosity measured during the 2006 giant outburst was found to be different from that observed during the 1985 giant outburst. This was interpreted as an indication of a possible change of the configuration of the neutron star's magnetosphere and/or accretion disk between the two giant outbursts.

Die Dissertation stellt die Analyse und Interpretation der mehrjährigen Röntgen-Beobachtungen von zwei akkretierenden Doppelstern-Pulsaren Her X-1 und EXO 2030 +375 mit den Röntgen-Observatorien INTEGRAL, RXTE und Swift vor.

Das Röntgen-Doppelsternsystem Her X-1/HZ Her (mit einer mittleren Masse) wurde mehrmals mit RXTE seit dessen Start im Jahr 1996 beobachtet. Der All Sky Monitor (ASM) anbord des Satelliten lieferte eine fast ununterbrochene Überwachung des 2-12 keV Flusses des Pulsars. Im Juli und August 2005 wurde Her X-1 während seines Main-On-Zustandes mit dem INTEGRAL Observatorium beobachtet. Mit diesen Beobachtungen (zusammen mit den historischen Daten) wurden die folgenden Eigenschaften von Her X-1/HZ Her untersucht: die säkulare Änderung der Orbitalperiode; die langfristige Korrelationen zwischen der 35-Tage Präzessionsperiode der Akkretionsscheibe mit der Änderung der 1.24 s Pulsperiode einerseits, und dem Röntgenfluss der Quelle andererseits; pulsgemittelte und pulsphasen- aufgelöste Röntgenspektren; eine Modellierung der Röntgendips. Die folgenden wesentlichen Ergebnisse wurden erzielt: eine neue orbitale Ephemeride des Systems wurde bestimmt. Der Wert der säkularen Abnahme der Orbitalperiode wurde verbessert. Langfristige Korrelationen zwischen der 35-Tage Präzessionsperiode der Akkretionsscheibe und der 1.24 s Pulsperiode, sowie zwischen dem Röntgenfluss der Quelle und der 1.24 s Periode wurden bestätigt. Eine positive Korrelation zwischen der Energie der Zyklotronlinie und dem Röntgenfluss der Quelle wurde entdeckt. Das beobachtete Verhalten der Röntgendips wurde mit einem numerischen Modell reproduziert. Spektrale Änderungen während der Röntgendips wurden mit einem „partial-coverage“ Modell interpretiert, welches annimmt, dass der beobachtete Fluss sowohl absorbierte als auch nicht-absorbierte Beiträge enthält. Die Energie, Breite und die Tiefe der Zyklotronlinie sowie die Parameter des spektralen Kontinuums variieren deutlich mit der Pulsphase. Die meisten beobachteten Eigenschaften des Systems lassen sich durch ein Modell erklären, dass eine präzedierende Akkretionsscheibe, einen frei präzedierenden Neutronenstern, und einen (sich aus der Orbitalebene erhebenden) Akkretionsstrom annimmt.

EXO 2030+375 gehört zur der Gruppe der Be/Röntgendoppelsternsysteme. Von Juni bis September 2006 wurde die Quelle in ihrem zweiten Riesen-Ausbruch (Typ II) seit seiner Entdeckung beobachtet. An diesen Beobachtungen haben die Satelliten INTEGRAL und Swift teilgenommen. Zum ersten Mal konnte das Röntgenspektrum in einem sehr breiten Energiebereich (3-200 keV) während eines Riesenausbruchs gemessen werden. Die Röntgen-Pulsprofile wurden studiert. Die beobachtete Abhängigkeit der Pulsperiode vom Röntgenfluss wurde mit verschiedenen Akkretionsmodellen verglichen. Die folgenden wesentlichen Ergebnisse wurden erzielt: das Vorhandensein einer Zyklotronlinie im Spektrum, das aufgrund von RXTE-Daten behauptet worden war, konnte nicht bestätigt werden. Das Pulsprofil ist vom Röntgenfluss abhängig. Es wurde festgestellt, dass die Abhängigkeit der Spinperiode vom Röntgenfluss in den Riesenausbrüchen von 2006 und von 1985 unterschiedlich ist. Dies wird als Hinweis auf eine mögliche Änderung der Konfiguration der Neutronenstern-Magnetosphäre und/oder der Akkretionsscheibe angesehen.