Accretion regimes in the X-ray binary systems A 0535+26 and Her X-1/HZ Her

Abstract

This thesis discusses the physics of two accreting X-ray pulsars, A 0535+26 and Her X-1. Based on observations from different X-ray satellites, the timing and spectral behavior of the two systems is studied.

A 0535+26 is a Be/X-ray binary system, i.e. it regularly undergoes normal and giant outbursts, separated by phases of quiescence. In April 2010, Swift/BAT detected a brightening of A 0535+26. The maximum and the decay of the outburst were observed by the RXTE and INTEGRAL observatories. We analyzed the light curves, pulse profiles and the pulsed fraction of the source and performed a spectral analysis using the RXTE and INTEGRAL data. Our analysis reveals variability of the continuum parameters with source flux, in particular a hardening of the continuum with increasing source flux on short time scales (i.e. for single pulsation cycles) and long time scales (i.e. on time scales of many pulsation cycles). The spectra averaged over many pulsation cycles of A 0535+26 show a variation of the cyclotron line centroid energy but no correlation with the luminosity of the source. However, our short time scale analyses (i.e. based on fragments of the pulsation cycle) indicate a positive correlation of the cyclotron line energy with the source flux. Some accreting X-ray pulsars show spectral changes on long time scales and on the time scale of single pulsation cycles. Depending on the type of spectral variations with flux, the sources seem to form distinct groups. This behavior is probably reflected in the accretion regimes that may result in a particular pulsar depending on its luminosity: the so-called sub- and super-critical accretion regimes. Based on the observed spectral properties, we argue that A 0535+26 operates at the sub-critical accretion regime during the analyzed outburst.

The second part of the thesis describes the analysis of the X-ray binary system Her X-1/HZ Her. The light curve of Her X-1 shows different periodicities including the 35 day super-orbital period with two on-states (high X-ray flux) and two off-states (low X-ray flux). The source's pulse period shows a long-term spin-up, interrupted by short intense spin-down periods. A possible explanation for this behavior can be ejection of matter during the spin-down episodes. In this work, we have analyzed XMM-Newton observations taken during main-on states of the source and studied the spectral changes in the RGS and EPIC data. We compared the derived amount of hot, photoionized material for different spin-up/-down regimes. A change in the amount of matter around the neutron star is expected to be indicated by the width and intensity of the emission lines from the photoionized plasma and of the iron emission line. We do not see a correlation between the line parameters and the locally measured pulse period change, and thereby cannot supply evidence of increased disk outflows within this analysis. The analysis of EPIC-pn spectra on short time scales (i.e. based on fragments of the pulsation cycle) reveals a unprecedented variability of the spectral parameters. Our results support the model of a freely precessing neutron star with a complex non-dipole magnetic field. The spectral variability is attributed to the emission from several emission components, i.e. several emission regions on the neutron star.

Diese Arbeit behandelt die Eigenschaften zweier akkretierender Röntgenpulsare, A 0535+26 und Her X-1. Basierend auf den Beobachtungsdaten von Röntgensatelliten wird das spektrale und zeitliche Verhalten untersucht.

Das Be/Röntgendoppelsternsystem A 0535+26 durchläuft regelmäßig "normale" und "riesige" Ausbrüche, ebenso wie Ruhephasen. Ein Anstieg der Leuchtkraft der Quelle wurde im April 2010 vom Röntgenobservatorium Swift/BAT gemessen. Daraufhin beobachteten die Satelliten RXTE und INTEGRAL das Maximum und das Abklingen des Ausbruches. Aus diesen Daten wurden Lichtkurven und Pulsprofile extrahiert und eine Untersuchung der spektralen Eigenschaften durchgeführt. Wir stellen eine Veränderung der spektralen Parameter abhängig von der Leuchtkraft fest. Insbesondere wird das Spektrum "härter" mit zunehmender Leuchtkraft der Quelle, sowohl im Bereich einzelner Pulsationszyklen, als auch über längere Zeitbereiche hinweg (gemittelt über eine größere Anzahl von Pulsationszyklen). In den über mehrere Pulsationszyklen gemittelten Spektren beobachten wir eine Variation der Energie der Zyklotronlinie, jedoch keine Korrelation mit der Leuchtkraft. Die Analyse der Spektren von einzelnen Pulsationszyklen deutet allerdings auf das Bestehen einer solchen Korrelation hin. Die Leuchtkraft und die spektralen Eigenschaften akkretierender Röntgenpulsare sind abhängig von der Art des Akkretionsvorganges. Anhand der Leuchtkraft der jeweiligen Quelle scheinen sich diese in sogenannte "sub-kritische" und "super-kritische" Akkretionsregime zuordnen zu lassen. Aufgrund des beobachteten spektralen Verhaltens argumentieren wir, dass sich A 0535+26 während des hier betrachteten Ausbruches in einem sub-kritischen Akkretionsregime befindet.

Der zweite Teil der Arbeit befasst sich mit der Analyse des Röntgendoppelsternsystems Her X-1/HZ Her. Die Lichtkurve von Her X-1 weist verschiedene Periodizitäten auf, unter anderem eine superorbitale Periode von 35 Tagen, die sich in zwei "on-states" (hoher Fluss im Röntgenenergie-Bereich) und zwei "off-states" (niedriger Fluss) aufteilt. Die Pulsperiode von Her X-1 zeigt eine langfristige Abnahme ( "spin-up"), die durch kurze starke Pulsperiodenanstiege ("spin-down") unterbrochen wird. Dieses Verhalten kann durch Auswurf von Materie während der kurzen "spin-down" Phasen erklärt werden. Wir haben Beobachtungen des Röntgenobservatoriums XMM-Newton für verschiedene "main-on states" der Quelle analysiert. Um nach Anzeichen für Materieauswurf zu suchen, wurden die spektralen Veränderungen in den RGS und EPIC Daten untersucht. Der Anteil an heißer, photoionisierter Materie wurde für verschiedene "spin-up" und "spin-down" Abschnitte verglichen. Eine Änderung der Materiemenge um den Neutronenstern sollte sich in der Breite und Stärke der Emissionslinien des photoionisierten Plasmas und der Eisen-Emissionslinie widerspiegeln. Anhand von diesen Beobachtungen kann kein Zusammenhang zwischen den Parametern der Emissionslinien und der lokal gemessenen Pulsperiodenänderung festgestellt werden, und damit kein Hinweis auf eine erhöhte Materiedichte erbracht werden. Die Analyse von EPIC-pn Spektren für Teile einzelner Pulsationszyklen zeigt eine Variation der spektralen Parameter, die mit solch hoher Auflösung und Genauigkeit bisher noch nicht gemessen wurde. Unsere Ergebnisse unterstützen das Model eines frei präzessierenden Neutronensternes mit einem komplexen Magnetfeld. Die von uns beobachtete starke spektrale Variabilität wird der Emission aus verschiedenen Komponenten, d.h. verschiedener Emissionsregionen auf dem Neutronenstern, zugeschrieben.