Analysis of X-Ray Observations of the Binary Hercules X-1

Abstract

Her X-1 is one of the most observed and well-studied sources among accreting X-ray pulsars, but despite the detailed insights it provides, a large number of open questions are still to be answered. The light curve of this source shows a strong modulation of the X-ray flux with a super-orbital period of about 35 days. This modulation is well known since the first observation made by Uhuru and consists of two on-states (high X-ray flux) and two off-states (low X-ray flux), with a Main-On (~7 orbital cycles) and a Short-On (~5 orbital cycles), separated by two off-states (~4÷5 orbital cycles each). The maximum X-ray flux of the Main-On is higher than the maximum X-ray flux of the Short-On by a factor of three to four. This is a clear evidence for a tilted, warped and counter-orbitally precessing accretion disk which covers temporarily the X-ray emission regions. The onset of the flux, the turn-on (often identified with 35 day phase 0.0), is believed to occur when the outer rim of the disk opens up the view to the X-ray emitting regions near the polar caps on the surface of the neutron star, while the flux decrease towards the end of the on-states is associated with the inner parts of the disk covering these regions from the observer. This source was also the first accreting X-ray pulsar where a cyclotron line was discovered. This feature, which is present in several X-ray binaries, transient and persistent sources, correlates in a positive way with the bolometric luminosity of the source. This is in contrast with other super-Eddington transient pulsars for which a negative correlation is observed. Other interesting observational properties are the systematic energy- and time-evolution of the pulse profiles as function of the 35 day phase and the particular evolution of the spectral parameters as function of the pulse phase. The dissertation presents the analysis and interpretation of X-ray observations of Her X-1 using data of the X-ray observatories RXTE and INTEGRAL. Using archival data of these two satellites several analyses have been performed. The collection of the data allowed to construct the X-ray light curves and to monitor systematic variations with the phase of the 35 day flux modulation. In parallel to this analysis, several pulse profiles in the energy range 9 – 13 keV have been produced to allow a model-independent investigation of the periodic pulse profile variations. This permitted to extrapolate the so called “phase-zero” which corresponds to the transitions between the off-state and the Main-On, namely the turn-ons. These were compared with the turn-ons observed from the flux modulation. Within statistical uncertainties the two turn-on histories track each other perfectly. On the basis of this analysis, the free precession model which was proposed to explain the variation of the pulse profile is discussed. Further, a deep spectral investigation of the source has been performed. The positive correlation between the centroid of the cyclotron line energy and the bolometric luminosity of the source was confirmed and all the spectral parameters were studied as function of the 35 day phase. The latter, allowed to understand whether within the 35 day super-orbital period, some spectral parameters show variations. This is the case for the absorption NH, the photon-index Gamma; and the intensity of the iron line emission. On the other hand, both the folding energy Efold and the cutoff energy Ecut remain relatively constant. Finally, the pulse phase resolved spectroscopy of RXTE data to monitor the variation of spectral parameters as function of the pulse phase was performed. This improved the picture already known from previous analyses and provided new insights. The variation of the iron line intensity as function of the pulse phase permitted to suggest a possible geometry for the accretion column.

Her X-1 ist eine der am meisten beobachteten und besten untersuchten akkretierenden Röntgenpulsare. Jedoch gibt es trotz genauer Untersuchungen immer noch eine Vielzahl von offenen Fragen. Im Röntgenbereich zeigt die Quelle eine starke Schwankung der Intensität mit einer “Super- Periode” von ungefähr 35 Tagen auf. Diese Schwankung ist seit den ersten Beobachtungen von Uhuru bekannt und besteht aus zwei On-Zuständen (hoher Röntgenfluss) und zwei Off Zuständen (niedriger Röntgenfluss). Diese Zustände werden als “Main-On” (~7 orbitale Umläufe) und “Short-On” (~5 orbitale Umläufe) bezeichnet. Sie sind durch zwei Off-Zustände (~4-5 orbitale Umläufe) voneinander getrennt. Der maximale Röntgenfluss des “Main-Ons” ist drei- bis viermal so hoch wie der des “Short-Ons”. Dies ist ein eindeutiger Hinweis für eine geneigte, verbogene und gegenläufig-präzedierende Akkretionsscheibe, welche zeitweise die Röntgenquelle verdeckt. Es wird vermutet, dass der Flussanstieg, der Turn-On, der oft mit der Phase 0.0 des 35-Tage Zykluses gleichgesetzt wird, dann auftritt, wenn der äußere Rand der Scheibe den Blick auf die Bereiche freigibt, die Röntgenstrahlung emittieren. Diese befinden sich nahe der Polkappen auf der Oberfläche des Neutronensterns. Dagegen wird die Flussminderung am Ende des On- Zustandes mit der Abdeckung dieser Bereiche durch die innere Scheibe erklärt. Her X-1 war ebenfalls der erste akkretierende Röntgenpulsar in dem eine Zyklotronlinie nachgewiesen wurde. In zahlreichen Röntgendoppelsternen, sowohl in “transients” als auch in “persistent” Quellen, wurde diese spektrale Besonderheit entdeckt. Bei Her X-1 wurde eine positive Abhängigkeit der Zyklotronlinie mit der bolometrischen Helligkeit beobachtet. Dies steht im Gegensatz zu anderen super-Eddington “transient” Pulsaren, die eine negative Abhängigkeit aufweisen. Die systematische Energie- und Zeitentwicklung des Pulsprofils in Abhängigkeit des 35-Tage Zykluses sowie die Entwicklung der spektralen Größen in Abhängigkeit der Puls Phase sind weitere interessante beobachtbare Eigenschaften. In dieser Dissertation wird eine Analyse und Interpretation der Röntgenbeobachtungen von Her X-1 präsentiert. Die Beobachtungen wurden mit den Röntgenobservatorien RXTE und Integral durchgeführt. Archivdaten boten die Möglichkeit mehrere Analysen anzufertigen. Mit Hilfe dieser Datensammlung konnte eine Röntgenlichtkurve erstellt werden und systematische Änderungen mit der Phase der 35–Tage Flussänderung verfolgt werden. Zusätzlich zu dieser Analyse wurden Pulsprofile im Energiebereich von 9 – 13 keV angefertigt um eine Modellunabhängige Untersuchung der periodischen Pulsprofil-Änderungen zu ermöglichen. Desweiteren erlaubt dies die Extrapolation des sogenannten “Phase-zero”, welches den Übergang von dem “Off-Zustand” und dem “Main-On”, den “Turn-On”, beschreibt. Die Ergebnisse wurden mit den “Turn-Ons”, die durch die Flussmodulation bestimmt wurden, verglichen. Innerhalb statistischer Unsicherheiten deckt sich der Verlauf der ”Turn-ons” perfekt. Anhand dieser Analysen wird das Modell der freien Präzession diskutiert, das entwickelt wurde um die Variation des “Pulsprofils” zu erklären. Ebenfalls wurde eine detaillierte spektrale Untersuchung der Quelle durchgeführt. Die positive Abhängigkeit der Energie der Zyklotronlinie mit der bolometrischen Helligkeit wurde bestätigt und spektrale Parameter als Funktion der 35–Tage Phase untersucht. Das Letztere bietet die Möglichkeit zu verstehen, ob innerhalb der 35–Tage “Super-Periode” einige spektrale Größen Veränderungen aufweisen. Dies ist der Fall für die Absorption NH, für den Photonen Index Gamma; und für die Intensität der Eisenlinie. Andererseits bleiben die Faltungsenergie Efold und die “cut off” Energie Ecut relativ konstant. Schließlich wurde eine Puls Phasen aufgelöste Spektroskopie der RXTE Daten durchgeführt. Hiermit wurde das Bild, das vorherige Analysen geliefert hatten verbessert und neue Einblicke waren möglich. Durch die Variation der Eisenlinien Intensität als Funktion der Puls Phase wird eine bestimmte Geometrie der Akkretionssäule nahe gelegt.