Multiwavelength Spectral Analysis of Accretion Disk and Astrophysical Jet Connection in Low-Mass X-ray Binaries

Loading...
Thumbnail Image
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Sähkötekniikan korkeakoulu | Master's thesis
Date
2020-10-19
Department
Major/Subject
Space Science and Technology
Mcode
ELEC3039
Degree programme
Master’s Programme in Electronics and Nanotechnology (TS2013)
Language
en
Pages
110+13
Series
Abstract
X-ray binaries (XRBs) are powerful double star systems where a normal star feeds through accretion a compact object, e.g. a black hole, and the liberation of accretion energy results in strong radiation throughout the electromagnetic spectrum. Performing multiwavelength observations of XRBs allow us to study their fundamental astrophysical properties and processes, which are ultimately governed by the mass flow rate from the donor star to the accretor. The primary objective of this master's thesis was to perform multiwavelength spectral studies of known XRBs focusing on the accretion disk and astrophysical jet connection, i.e. the disk--jet connection, and to determine their spectral models and states at different observation periods. The data sets used in this master's thesis comprised of (quasi-)simultaneous multiwavelength observations. The principal instrument of this thesis was the Very Large Telescope's X-shooter, and its observations constituted the foundation of the collected (quasi-)simultaneous data sets. This thesis examines four different low-mass X-ray binary (LMXB) targets including MAXI J1820+070, a recently discovered LMXB. This master's thesis ultimately presents novel and unprecedented broadband observations and results for the main target MAXI J1820+070. Based on the spectral modelling of the observations, the results show how the MAXI J1820+070 first was in the low/hard state in mid-April 2018, then had entered the high/soft state in following observations in mid-July 2018, and finally in late September had transitioned to the intermediate-hard state. During mid-April 2018, the astrophysical jets were dominating and extended from the radio to the near-infrared spectrum. In mid-July, the astrophysical jets were no longer detected, and the accretion disk governed the emission spectrum in the X-shooter band. Additionally, this master’s thesis presents two novel value pairs for the jet break frequency ν_b as a function of the X-ray power law photon index Γ for black hole systems.

Röntgenkaksoistähdet ovat erittäin voimakkaita kaksoistähtiä, joissa normaali tähti syöttää materiaa massavirran kautta kompaktiin kohteeseen, kuten esimerkiksi mustaan aukkoon, ja tämän prosessin seuraksena vapautuu suuria määriä energiaa koko sähkömagneettisen spektrin läpi. Samanaikaiset moniaallonpituustutkimukset mahdollistavat röntgenkaksoistähtien perustavanlaatuisten astrofysikaalisten ominaisuuksien ja prosessien tutkimisen. Tämän diplomityön päätavoitteena on toteuttaa moniaallonpituustutkimus matalamassaisista röntgenkaksoistähdistä keskittyen niiden kertymäkiekon ja hiukkassuihkujen väliseen yhteyteen, jotta niiden spektritilat voidaan määrittää eri havaintojaksojen aikana. Diplomityössä käytetään samanaikaista ja lähes samanaikaista moniaallonpituusdataa aina radioalueelta röntgenalueelle asti. Diplomityön pääinstrumenttina oli X-shooter-instrumentti, jonka havainnot muodostivat perustan muille havainnoille. Diplomityössä tutkitaan yhteensä neljää eri matalamassaista röntgenkaksoistähteä. Diplomityön tuloksissa esitetään ennennäkemättömän laaja moniaallonpituustutkimus ja sen tulokset pääkohteesta MAXI J1820+070, jonka todetaan olleen kovassa röntgenspektritilassa huhtikuussa 2018, jonka jälkeen se oli siirtynyt pehmeään röntgenspektritilaan saman vuoden heinäkuussa, kunnes lopulta 2018 lokakuun alussa se oli päätynyt keskikovaan röntgenspektritilaan. Huhtikuun havaintojen aikana astrofysikaalisten suihkujen todettiin yltävän aina radioalueelta lähi-infrapuna-alueelle. Heinäkuun havainnossa astrofysikaalisia hiukkassuihkuja ei havaittu, ja kertymäkiekko dominoi emissiollaan X-shooter-alueella. Lisäksi, tässä diplomityössä esitetään kaksi uutta arvoparia röntgenspektriin sovitetulle potenssilain eksponentille ν_b ja hiukkassuihkua mallintavan optisesti tiheän ja harvan synkrotronispektrin välisen leikkaustaajuuden Γ yhteydelle mustan aukon järjestelmille.
Description
Supervisor
Lähteenmäki, Anne
Thesis advisor
Koljonen, Karri
Keywords
X-ray binary, multiwavelength, accretion disk, astrophysical jet, disk–jet connection, X-shooter
Other note
Citation