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Subluminous X-ray binaries

Armas Padilla, M.

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Citation for published version (APA):Armas Padilla, M. (2013). Subluminous X-ray binaries.

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Download date: 16 Jan 2020

Resumen

De entre todos los cuerpos celestes que conocemos, agujerosnegros y estrellas deneutrones son sin duda algunos de los más interesantes. Sus desmesuradas densida-des no son posibles de reproducir en la Tierra, y por lo tanto su estudio proporcionainformación única en campos fundamentales como el comportamiento de la materiaa densidades muy elevadas, o la relatividad general en presencia de campos magné-ticos extremos. Una estrella de neutrones posee típicamente una masa similar a ladel Sol, pero comprimida en una esfera de tan sólo 10 km de radio, o lo que es lomismo, el Sol embebido dentro de una esfera con un diámetro igual al de la isla deLa Gomera (FiguraA). Su densidad es tan elevada que sólo una cucharada de su ma-terial pesaría 100 millones de toneladas. Los agujeros negros son aún más compactosya que son 10 veces más masivos que el Sol y están comprimidos en menos de 34 km.Sus campos gravitatorios son tan intensos que incluso la luzno puede escapar. Deeste modo, ya que los agujeros negros no emiten luz por definición, y las estrellas deneutrones son tan pequeñas que emiten muy poca cantidad, y son por tanto díficilesde detectar, la mejor manera de estudiar sus propiedades es observando el compor-tamiento del material que los rodea. Esto sucede cuando las estrellas de neutronesy agujeros negros se encuentran en sistemas binarios compactos, es decir, sistemasformados por un objeto compacto (estrella de neutrones o agujero negro) y una es-trella común, similar al Sol, conocida como estrella compañera. La inmensa fuerzagravitatoria asociada al objeto compacto es capaz de capturar material de la cercanaestrella compañera, el cual cae finalmente sobre la estrellade neutrones o agujeronegro. Dado que el material posee un cierto momento angular,este debe conservarse,y por tanto la transferencia de material se produce por mediode un disco de acreción

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Figuur A: El tamaño de la estrella de neutrones comparado con la isla dela Gomera.

que se forma alrededor del objeto compacto. Debido a la fricción que se produceentre las diversas capas que conforman el disco, la temperatura de este se eleva aniveles suficientemente altos como para que se produzca emisión en rayos X. De ahíque a estos sistemas se les conozca como binarias de rayos X (FiguraB).

El ritmo al cual se produce la acreción del material no es siempre el mismo. Comoresultado, las binarias de rayos X presentan varios estadosque se ven reflejados encambios en sus propiedades espectrales y temporales, así como en un amplio rangode luminosidades. El estudio de tales propiedades aporta valiosa información sobrelos parámetros estelares (por ejemplo, masa y radio), la física de los procesos deacreción o la de la materia ultradensa.

Los rayos X son filtrados por la atmósfera terrestre, lo que hace la vida posibleen nuestro planeta. Sin embargo, esto resulta bastante incoveniente para los astró-nomos, que para ser capaces de observar este tipo de luz, debemos enviar nuestrosinstrumentos fuera de la atmósfera a bordo de cohetes y satélites. El descrubrimientode la primera binaria de rayos X, Scorpius X-1, con la primerageneración de ob-servatorios, marcó el nacimiento de la astronomía de rayos X. Medio siglo después ytras varias generaciones de instrumentos, muchos fenómenos han sido estudiados. Enparticular, gracias a la mejora en sensibilidad y resolución espacial una nueva familiade binarias de rayos X, con luminosidades muy bajas, ha sido descubierta.

Esta tesis se centra en el estudio de binarias de rayos X poco luminosas, un sub-grupo que alcanza luminosidades de tan soloLX ∼ 1034−36 erg s−1, varios ordenes demagnitud menos que las típicamente observadas en las binarias de rayos X clásicas.

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Figuur B: Ilustración una binaria de rayos X (Brian Christensen)

Figuur C: Ilustración del telescopio espacialXMM-Newton.

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De este modo, su bajo brillo implica que en estos sistemas el acrecimiento de mate-rial por parte del objeto compacto se produce ritmos muy bajos y por lo tanto, sonideales para el estudio de estos regímenes de acreción, muy comunes en el Universopero relativamente poco estudiados hasta el momento. Estosestudios son relevantesno sólo para la física de acreción en si misma sino para otros campos tales como laevolución de binarias y la teoría asociada a la fusión nuclear en la superficie de lasestrellas de neutrones.

En esta tesis presento el análisis de datos de varias binarias de rayos X pocoluminosas con el fin de investigar sus propiedades. Para ello, hago uso de los obser-vatorios de rayos XXMM-Newton(Fig. C), Swift, Chandra, y RXTE. Cada uno deestos observatorios tiene sus ventajas e inconvenientes, de tal modo que en cada casonos decantamos por uno o otro dependiendo del problema científico a resolver.

La primera parte de este proyecto (capítulo2) se centra en la investigación de laspropiedades espectrales de sistemaspersistentes. Estas binarias muestran siempreuna luminosidad similar, que para el caso de los sistemas poco luminosos está elrango deLX ∼ 1034−36 erg s−1. Estas lumnosidades siempre constantes, pero a ritmosde acreción tan bajos, desafían los actuales modelos de física de acreción. En estecapítulo se muestra el análisis de los espectros de alta resolución disponibles para tressistemas persistentes con estrella de neutrones. Uno de losprincipales resultados queaporto es la detección de una componente espectral térmica aluminosidades menoresdeLX ∼ 1035 erg s−1. El origen más probable para esta componente es la superficiede la estrella de neutrones.

La segunda parte de la tesis (capítulo3 y capítulo4) se centra en el estudio desistemas binarios de rayos X poco luminosos que también contienen una estrella deneutrones como objeto acretor, pero en este caso sus luminosidades se observan variarvarios órdenes de magnitud (sistemastransitorios). Estos sistemas pasan la mayorparte de su vida en un estado de latente quietud, con brillos muy débiles, pero es-porádicamente llevan a cabo brillantes erupciones como resultado de un repentinoincremento en el ritmo de accreción. A lo largo de estos capítulos combino estudiossobre la evolución de la erupción, con estudios más detallados con datos de mayorcalidad y centrados en cierta fases de esta. Los estudios realizados con espectrosde alta calidad arrojan resultados similares tanto para lossistemas persistentes comopara las fuentes transitorias: por debajo de cierta luminosidad se detecta un compo-nente térmica relativamente fría, lo cual indica que tiene como origen la superficie dela estrella de neutrones (ver figuraD). En particular, en el capítulo4 se examina endetalle la evolución de esta componente, concluyendo que pobrablemente es debidaa acreción sobre la superficie de la estrella de neutrones a ritmos muy bajos. Porotro lado, nuestras observaciones (capítulo3) muestran que a bajas luminosidades elespectro se vuelve menos energético a medida que esta decrece, lo cual es consis-

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Figuur D: Espectro típico de una estrella de neutrones de luminosidadbaja. Dos componentes puedenser identificadas: una poco energética de origen térmico, probablemente asociada a la superficie de laestrella de neutrones, y una más energética con forma de ley de potencias y producida porscatteringComptoninverso en la vecindad del objeto compacto. Para más detalles ver el capítulo1.

tente con los modelosADAF (por sus siglas en inglés), en los que la accreción estadominada por procesos advectivos.

La última parte de la tesis está dedicada a estudiar la única binaria de rayos Xpoco luminosa (de las conocidas hasta el momento) que tiene como objecto com-pacto un agujero negro, Swift J1357.2–0933. Gracias a la proximidad y a la altalatitud galáctica de la fuente fue posible la obtención de datos de muy buena calidadsi se considera la baja luminosidad del objeto. En el capítulo 5 muestro la evolucióna lo largo de la erupción, que evidencia de nuevo la tendenciadel espectro a volversemenos energético conforme el brillo decae. Además, presento la correlación entre lasemisiones en los rangos de rayos X, ultravioleta y visible a lo largo de todo el periodode actividad de la fuente, la cual sugiere que el acrecimentosobre el agujero negrose esta produciendo por medio de un disco no irradiado. En el capítulo6 presento elanálisis espectral y temporal de una observación tomada conXMM-Newtondurante elpico de luminosidad, siendo las propiedades de la fuente consistentes con las espera-das para un agujero negro observado a poca luminosidad.

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