Resumen de Fundamental properties of high mass X-ray binaries

Ana González Galán

• español

  El objetivo principal de esta Tesis Doctoral es la caracterización de un conjunto de Supergigantes Binarias de Rayos X (acrónimo en inglés SGXBs), formado por: IGR J00370+6122, XTE J1855­-026, AX J1841.0­0535 y AX J1845.0­-0433. Estos sistemas están compuestos mayoritariamente por un púlsar (una estrella de neutrones con rotación) y una supergigante tipo OB.

  Las supergigantes que componen estos sistemas tienen unos vientos muy intensos que interaccionan con los fuertes campos gravitatorios de los púlsares. Dicha interacción da lugar a un calentamiento del viento hasta temperaturas del orden de diez millones de Kelvin produciendo la radiación X observada.

  Esta radiación X presenta comportamientos muy diversos, siendo los más frecuentemente observados los siguientes: puede ser constante, presentar cambios bruscos y aleatorios, estar modulada según el periodo orbital o tener una superposición de varias modulaciones con distintos periodos . Los diferentes comportamientos de la radiación X observada han dado lugar a la clasificación en diversos subtipos de los sistemas SGXBs, a saber: las SGXBs clásicas, las Supergigantes Transitorias de Rayos X (SFXT, del ingles Supergiant Fast X­ray Transients), las Supergigantes Transitorias Intermedias y las Supergigantes de Rayos X Oscurecidas.

  El estudio de estas fuentes astronómicas es relevante para comprender y avanzar en los modelos evolutivos de las estrellas binarias y ver las diferencias de los mismos con aquellos que sirven para el estudio de estrellas aisladas. Además, las estrellas de neutrones que contienen son la fase final de la vida de las estrellas masivas tras su explosión como supernova, por tanto estudiar estos sistemas puede ayudar a comprender mejor los procesos que dan lugar a las explosiones supernova. Por otro lado, son sistemas jóvenes, por lo que se pueden considerar trazadores de formación estelar. También son excelentes laboratorios para estudiar los procesos de acreción de materia. Y por último, las medidas de las masas de las estrellas de neutrones que contienen son esenciales para para poder acotar la Ecuación de Estado de la Materia Nuclear.

  En esta tesis se realiza una caracterización de diferentes parámetros físicos (excentricidad orbital, periodo orbital, clasificación espectral, ...) de varias SGXBs para detectar o descartar si alguno de estos parámetros permite explicar los diferentes comportamientos observados en rayos X. La muestra de fuentes estudiada en esta Tesis Doctoral es representativa ya que: ­- IGR J00370+6122: tiene un comportamiento en rayos X cuya variabilidad temporal es similar al de las SFXTs, sin embargo los cambios en intensidad no son tan intensos como los de dichas fuentes. Por otro lado su luminosidad persistente tiene un valor intermedio entre el de una SFXT y una SGXB.

  - ­XTE J1855­026: su comportamiento en rayos X es típico de una SGXB.

  - ­AX J1841.0­0535 y AX J1845.0­0433: el comportamiento en rayos X de ambas es muy similar entre si siendo el típico de las SFXTs.

  Las principales conclusiones a las que se llega tras este estudio son:

  - Todas las contrapartidas ópticas de las fuentes X de este tipo de sistemas resultan ser supergigantes O tardías o B tempranas.

  - Se observa un exceso de N/C, y una velocidad de rotación por encima de lo normal para el correspondiente tipo espectral en las dos fuentes de las que se han podido obtener modelos de atmósfera estelar (IGR J00370+6122 y XTE J1855­026), que puede deberse a la evolución dentro del sistema binario.

  - Los dos puntos anteriores apuntan a que el tipo espectral y las características, en cuanto a abundancias y rotación, de la supergigante del sistema no tienen relación, al menos de manera aislada, con el comportamiento en rayos X observado.

  - Se descarta la excentricidad orbital como parámetro clave para explicar la aleatoriedad y brusquedad en los cambios del flujo en rayos X encontrado en las SFXTs ya que AX J1841.0­0535 y AX J1845.0­0433 son SFXTs con excentricidades completamente diferentes. AX J1841.0­0535 tiene una orbita prácticamente circular mientras que AX J1845.0­0433 tiene una orbita claramente excéntrica.

  - Como conclusión global se puede decir que la clasificación en subtipos se difumina debido que según se va ampliando el numero de objetos estudiados se van encontrando fuentes que no se enmarcan en ninguno de los subtipos establecidos, como por ejemplo la fuente estudiada en esta tesis, IGR J00370+6122.

• English

  The aim of this thesis is to characterise a sample of High Mass X-ray Binaries (HMXBs) formed by: IGR J00370+6122, XTE J1855-026, AX J1841.0-0535 and AX J1845.0-0433. These objects are composed of pulsars (rotating neutron stars) accreting material from the wind of their supergiant companions. The X-rays are produced in the interaction of the accreted material with the strong gravitational field of the neutron star that accelerates this material and heats it up to ~ 107 K. The study of HMXBs has strong implications in several areas of Physics and Astrophysics. They contain neutron stars whose study is essential to constrain the equation of state of nuclear dense matter, and provides insights on the astrophysical models of core collapse and Supernovae explosions. HMXBs considered as a population give information on the properties of the galaxy. In addition they are excellent test-beds to study accretion physics and outflows. The X-ray behaviour of these systems determines the class of system (classical HMXBs, Supergiant Fast X-ray Transients, Be/X-ray Binaries). The differences in the X-ray emission are supposed to be due to the different properties of the binary systems, such as the orbital properties, the magnetic field of the neutron star or the spectral type of the donor star. HMXBs in this thesis are wind-fed systems, therefore, the properties of the wind (which depend on the spectral type) and the interaction of this wind with the gravitational field of the compact object are key elements to understand the X-ray emission. Therefore, in this thesis an orbital solution for each target of study has been determined using optical spectra of the donor star. Moreover, to check if wind variability is related to the orbit of the binary system, analysis of Ha variations have been carried out. Furthermore, in the case of IGR J00370+6122 and XTE J1855-026 we have obtained an atmosphere model for each of the donor stars allowing us to characterise the atmospheres of these stars, and consequently to determine physical parameters such as the Teff or the log g. Finally publicly available X-ray light curves have been analysed to study the X-ray emission of the different sources against their orbital periods. As a general conclusion, it seems there is a continuum of properties of these systems more than a strict classification. A combination of factors, of which some of them could be unknown, might be the cause of their different X-ray flux behaviours. The outline of this thesis is as follows: the scientific context is given in Chapter 1 an overview of the analysis performed for each of the sources of study is presented in Chapter 2; Chapter 3 is dedicated to the description of a pipeline optimised for the reduction of FRODOSpec spectra of obscured red sources (donor stars of the targets of study); Chapters (4, 5 and 6) present the characterization of the four sources in this thesis, which are different kind of wind-fed systems; and finally general conclusions and future work are given in Chapter 7.