Subluminous X-ray Binaries M. Armas Padilla

Subluminous X-ray Binaries
M. Armas Padilla
Nederlandse samenvatting
Zwarte gaten en neutronensterren behoren tot de meeste interessante objecten in het
heelal. Het is niet mogelijk om hun enorme compactheid en immense dichtheid na
te bootsen op aarde, en daarom leidt de studie van dit soort objecten tot nieuwe fundamentele inzichten in bijvoorbeeld het gedrag van zeer compacte materie of de algemene relativiteitstheorie in extreme magneetvelden. Een typische neutronenster
heeft ongeveer dezelfde massa als de zon, maar het is samengepakt in een bol met
een straal van slechts 10 kilometer, oftewel alle massa van de zon in een bol met de
diameter van Amsterdam (Fig. A). De dichtheid is zo hoog dat alleen al een lepel
vol van deze materie meer dan 100 miljoen ton weegt. Zwarte gaten zijn zelfs nog
compacter: zij kunnen wel 10 keer zo zwaar zijn als de zon maar dan samengepakt
in een bol met een diameter van minder dan 34 kilometer. Hun zwaartekracht is zo
sterk dat zelfs licht niet kan ontsnappen. Aangezien zwarte gaten geen licht uitstralen
en neutronensterren zo klein zijn dat ze slechts een zeer kleine hoeveelheid zichtbaar
licht uitstralen, is het erg lastig om deze objecten te detecteren, en daarom is de beste
manier om hun eigenschappen te bestuderen via de interactie met hun omgeving. Dit
kan gedaan worden voor neutronensterren of zwarte gaten in dubbelstersystemen die
bestaan uit een gewone ster een een compact object (neutronenster of zwart gat). De
enorme zwaartekracht die wordt uitgeoefend door het compacte object kan materiaal
van de gewone ster afzuigen, welke dan uiteindelijk op de neutronenster of het zwarte
gat valt. Deze accretie van materiaal gaat echter niet direct maar vindt plaats via een
schijf die wordt gevormd om het compacte object heen, om het impulsmoment van
de instromende materie te behouden. De wrijving tussen verschillende lagen van
materiaal in de schijf zorgt voor zeer hoge temperaturen; zo hoog dat grote hoeveel-
103
Nederlandse samenvatting
Figuur A: De grootte van een neutronenster in vergelijking met Amsterdam.
heden röntgenstraling worden geproduceerd. Om deze reden worden deze objecten
röntgendubbelsterren genoemd (Fig. B).
Accretie kan met verschillende snelheden plaats vinden. Als gevolg daarvan vertonen röntgendubbelsterren een diversiteit aan toestanden die kunnen worden herkend aan verschillende eigenschappen in het spectrale en tijdsdomein, als ook een
groot bereik aan accretie-lichtkrachten. Het bestuderen van dergelijke eigenschappen
verschaft informatie over bijvoorbeeld de parameters van de objecten in het systeem
(bijvoorbeeld massa’s en stralen), accretie-fysica of extreem dichte materie.
Röntgenstralen worden tegengehouden door de atmosfeer van de aarde, wat het
leven op aarde mogelijk maakt maar tegelijkertijd onhandig is voor astronomen. Om
toch op deze golflengten te kunnen waarnemen worden röntgendetectoren geplaatst
op raketten of satellieten die zich buiten de dampkring begeven. De ontdekking van
de eerste röntgendubbelster, Scorpius X-1, met de eerste generatie van röntgendetectoren en observatoria was de geboorte van de röntgensterrenkunde. Een halve eeuw
later en na meerdere generaties röntgendetectoren zijn er veel nieuwe verschijnselen
ontdekt en bestudeerd. In het bijzonder dankzij de verbeteringen in gevoeligheid en
ruimtelijk oplossend vermogen van de nieuwe generatie röntgendetectoren is er een
nieuwe familie van röntgendubbelsterren met een lage lichtkracht gevonden.
104
Figuur B: Impressie van een röntgendubbelster, gemaakt door Brian Christensen.
Dit proefschrift richt zich vooral op de studie van zeer lichtzwakke röntgendubbelsterren, een subgroep van de röntgendubbelsterren met een maximale lichtkracht
van slechts LX ∼ 1034−36 erg s−1 , meerdere ordes van grootte lager dan de meeste,
goed bestudeerde röntgendubbelsterren. Deze lage lichtkrachten impliceren dat ze
materie accreteren met lage snelheden. Daarom zijn ze ideaal om de relatief weinig
bestudeerde regimes van lage accretie-snelheden te bestuderen en leveren belangrijke informatie voor accretie gerelateerde fenomenen, zoals accretie-fysica, modellen voor dubbelsterevolutie, en de theorie voor het verbranden van materiaal op het
oppervlak van accreterende neutronensterren.
In dit proefschrift presenteer ik de analyse van meerdere zeer lichtzwakke röntgendubbelsterren om hun eigenschappen onder de loep te nemen. Ik maak gebruik
van de röntgensatellieten XMM-Newton (Fig. C), Swift, Chandra en RXTE. Elk van
deze observatoria heeft haar eigen sterke eigenschappen en de detectoren die ik gekozen heb hangen af van de soort van onderzoek dat ik wilde doen.
Het eerste deel van dit proefschrift (hoofdstuk 2) onderzoekt de spectral eigenschappen van zeer lichtzwakke röntgendubbelsterren. Die altijd actief accreteren
deze systemen vertonen altijd een ongeveer gelijke lichtkracht, en in het geval van
de zeer lichtzwakke bronnen altijd lichtkrachten van LX ∼ 1034−36 erg s−1 . Het consistente gedrag bij zulke lage accretie-snelheden is een uitdaging voor de huidige
accretie-fysica modellen. Ik presenteer de analyse van de momenteel beschikbare
spectra van hoge kwaliteit van zulke systemen die een neutronenster bevatten. Een
van de voornaamste resultaten is de detectie van een thermische component wanneer de lichtkracht zich onder LX ∼ 1035 erg s−1 bevindt. De meest waarschijnlijke
105
Nederlandse samenvatting
Figuur C: Impressie van de XMM-Newton satelliet.
oorsprong van deze component is het oppervlak van de neutronenster.
In het tweede deel (hoofdstuk 3 en hoofdstuk 4) heb ik zeer lichtzwakke röntgendubbelsterren bestudeerd die hoogstwaarschijnlijk een neutronster herbergen. In
dit geval echter varieert hun lichtkracht over enkele ordes van grootte. Het grootste
deel van hun leven bevinden ze zich in een zeer lichtzwakke toestand, maar af en
toe vertonen ze heldere uitbarstingen als het gevolg van een plotselinge toename van
de accretie-snelheid. Wij combineren algemene studies van de evolutie gedurende
de gehele uitbarsting met gedetailleerde waarnemingen van zeer hoge kwaliteit gedurende bepaalde fasen van de uitbarsting. Spectrale studies van zowel bronnen die
altijd aan zijn als bronnen in een uitbarsting leiden tot soortgelijke resultaten. Een
relatief koude thermische component wordt gevonden onder bepaalde lichtkrachten,
wat wijst op een oorsprong op het oppervlak van de neutronenster (bijvoorbeeld Fig.
D). In het bijzonder in hoofdstuk 4 wordt de evolutie van deze thermische component
in detail onderzocht, wat inderdaad leidt tot accretie op het oppervlak van de neutronenster als de meest waarschijnlijke verklaring. Onze waarnemingen gedurende de
uitbarsting (hoofdstuk 3) tonen aan dat bij lage lichtkrachten LX < 1036 erg s−1 de
spectra zachter worden met afnemende lichtkracht. Dit laatste is consistent met het
advectie-gedomineerde accretie-stroom model.
Het laatste deel van dit proefschrift is gewijd aan de studie van de tot nu toe enige
bekende zeer lichtzwakke röntgendubbelster met een zwart gat als compact object,
Swift J1357.2−0933. De eigenschappen van deze bron (bijvoorbeeld haar nabijheid
en hoge galaktische breedte) maakt het mogelijk om data van goede kwaliteit bij lage
lichtkrachten te verkrijgen. Als gevolg daarvan presenteer ik in hoofdstuk 5 onder-
106
Figuur D: Typisch spectrum van een neutronenster bij lage lichtkrachten. Er kunnen twee componenten onderscheiden worden: een zachte thermische component, hoogstwaarschijnlijk onstaan op het
oppervlak van de neutronenster, en een harde machtswet-component, waarschijnlijk veroorzaakt door
verstrooiing in een hete wolk van elektronen in de nabijheid van het compacte object. Meer details zijn
te vinden in hoofdstuk 1.
zoek van de spectral evolutie gedurende de uitbarsting, wat het gebruikelijke gedrag
aantoont van het spectraal zachter worden bij deze lage lichtkrachten. Daarnaast
laat ik ook de correlatie zien tussen de röntgen en ultraviolet/optische emissie tijdens
de uitbarsting, welke suggereert dat het zwarte gat materie accreteert via een nietbestraalde of weinig bestraalde schijf. In hoofdstuk 6 presenteer ik de analyse van de
spectra en lichtkrommen van een waarneming met XMM-Newton tijdens de piek van
de uitbarsting. De eigenschappen van de bron zijn gelijk aan die van een zwart gat
bij lage lichtkrachten.
107