X-ray observations of black hole and neutron star binary systems

Abstract

Black holes and neutron stars are compact remnants of massive stars at the endpoint of stellar evolution. As they have consumed all their nuclear fuel they are not radiating themselves anymore, which makes isolated compact objects rather difficult if not even impossible to discover. If they are found in binary systems, however, they may accrete matter from their stellar companion, thereby producing radiation that can be observed in the X-ray regime.

In this thesis I analyze and discuss X-ray observations of two binary systems, containing a black hole and a neutron star, respectively:

The first part of the work is dedicated to a detailed broadband study of the black hole binary Cygnus X-1, which is one of the brightest persistent sources in the X-ray sky. Cyg X-1 was observed at the end of 2004 simultaneously by the three satellites XMM-Newton, RXTE, and INTEGRAL. As these three instruments cover an energy range from 2.8 keV - 1 MeV, one of the best resolved broadband spectra ever was obtained. As Cyg X-1 is too bright actually to be observable by XMM-Newton in its standard modes, a new observing mode (called the "Modified Timing mode") has been developed for the EPIC-pn camera. This mode and its calibration are described in Chapter 4. In the two following chapters the results of the data analysis are presented, which was split in two main parts. On the one hand a study of the broadband continuum was performed to constrain models for the Comptonizing plasma surrounding the black hole and its accretion disk (using RXTE and INTEGRAL, Chapter 3), on the other hand a detailed analysis of the Fe K-alpha region was conducted to search for effects of relativistic line broadening (using XMM-Newton, Chapter 5). The broadband continuum is found to show a hard tail above ~300 keV (as it is expected for the Hard Intermediate State during which the observations took place) which could be explained in terms of non-thermal Comptonization. The presence of a broadened iron line, which is also expected in this state, could be confirmed in the XMM-Newton analysis. Contrary to results by the Chandra observatory, however, Kerr models are favored for the description of the line profile in the XMM-Newton observations.

In the second part of this thesis the results of two years of INTEGRAL observations of the neutron star binary 4U 1907+09 are reported. The main focus of this analysis is a study of the timing behavior of this source, as 4U 1907+09 is one of the few sources known to show a steady spin-down behavior over the last 20 years since the first measurement of its pulse period in 1983. This behavior changed completely during the INTEGRAL observations in 2004 when 4U 1907+09 underwent a complete torque reversal. Since then the pulse period of the neutron star is constantly decreasing. In addition to the timing also an analysis of the 5-90 keV spectrum is performed. The presence of two cyclotron lines in the spectrum allows the calculation of the magnetic field strength of this object. With the knowledge of this field strength it is in turn possible to draw conclusions on the accretion geometry and the spin behavior.

Schwarze Löcher und Neutronensterne sind die kompakten Überbleibsel massiver Sterne am Ende ihres Lebens. Da alle nuklearen Reaktionen in ihrem Inneren zum Erliegen gekommen sind, senden sie selbst keine Strahlung mehr aus. Isolierte kompakte Objekte sind daher gar nicht oder nur nur sehr schwer zu entdecken. Befindet sich ein solcher Himmelskörper jedoch in einem Doppelsternsystem, so kann er von seinem Begleitstern Materie akkretieren. Hierbei entsteht Strahlung die im Röntgenbereich beobachtbar ist. Eine Übersicht über die hierbei relevanten Prozesse ist in Kapitel 2 gegeben.

Im Rahmen dieser Arbeit wurden Röntgenbeobachtungen beider Typen kompakter Objekte, Schwarzer Löcher und Neutronensterne, analysiert:

Der erste Teil der Arbeit ist einer detailierten Analyse des Breitbandspektrums des Schwarzloch-Doppelsternsystems Cygnus X-1 gewidmet, das eine der hellsten persistenten Quellen am Röntgenhimmel ist. Cyg X-1 wurde Ende 2004 simultan von den drei Satelliten XMM-Newton, RXTE und INTEGRAL beobachtet. Dank des grossen Energiebereichs der durch diese Missionen abgedeckt wird (2.8 keV - 1 MeV) resultierten aus diesen Beobachtungen einige der höchstaufgelösten Breitbandspektren die jemals aufgenommen wurden. Da Cyg X-1 eigentlich zu hell ist um von XMM-Newton in einem der Standardbeobachtungsmodi beobachtet zu werden, musste ein neuer Modus für die EPIC-pn Kamera entwickelt werden. Dieser sogenannte "Modified Timing mode" und Details zu seiner Kalibrierung sind in Kapitel 4 beschrieben. In den beiden darauffolgenden Kapiteln werden die Ergebnisse der Datenanalyse dargestellt, die in zwei Hauptbereiche aufgeteilt war. Auf der einen Seite stand eine Untersuchung des Breitband-Kontinuums mit dem Ziel, verschiedene Modelle für das Comptonisierende Plasma zu testen, welches das Schwarze Loch und die Akkretionsscheibe umgibt, auf der anderen Seite eine detailierte Analyse der Fe K-alpha Region des Spektrum um eine relativitische Verbreiterung der Eisenlinie zu bestätigen. Die Analyse des Breitband-Kontinuums wurde mit RXTE und INTEGRAL durchgeführt und wird in Kapitel 3 beschrieben. Für die Eisenlinie wurden zwar die Kontinuumsparameter mit RXTE bestimmt, die hauptsächliche Analyse beruht jedoch auf XMM-Newton Daten (Kapitel 5). Im Breitband-Kontinuum wurde bei Energien über ~300 keV ein Exzess detektiert, ein sogenannter "hard tail". Dieser "hard tail" ist typisch für den Hard Intermediate State von Schwarzen Löchern in dem sich Cyg X-1 während der Beobachtungen befand und kann mit einer nicht-thermischen Komponente im Comptonisierenden Plasma erklärt werden. Die ebenfalls für diesen State typische verbreiterte Eisenlinie konnte in den Daten von XMM-Newton nachgewiesen werden. Im Unterschied zu früheren Messungen mit dem amerikanischen Chandra Satelliten eignen sich für die Beschreibung des Linienprofils in den XMM-Newton Daten Modelle die auf der Kerr-Metrik beruhen jedoch besser als Modelle, die die Schwarzschild-Metrik zugrunde legen.

Im zweiten Teil dieser Arbeit werden die Ergebnisse von zwei Jahren INTEGRAL Beobachtungen des Neutronensternsystems 4U 1907+09 vorgestellt. Das Hauptaugenmerk lag hier auf der Untersuchung der zeitlichen Variablilität der Quelle, da 4U 1907+09 eines der wenigen bekannten Objekte ist, das über einen Zeitraum von 20 Jahren (seit der ersten Bestimmung der Pulsperiode in 1983) einen konstanten "spin-down" Trend zeigt. Dieses Verhalten kehrte sich 2004 komplett um und 4U 1907+09 zeigt seitdem einen deutlichen "spin-up" mit konstant abnehmender Pulsperiode. Neben der Untersuchung dieser zeitlichen Variablilität wurde auch eine Analyse des 5-90 keV Spektrums vorgenommen, das zwei Zyklotronlinien aufweist. Mit Kenntnis der Energie dieser Linien ist es möglich, die Stärke des Magnetfeldes von 4U 1907+09 zu berechnen, was Rückschlüsse auf die Akkretionsgeometrie und die zeitliche Entwicklung der Pulsperiode zulässt.