The multiwavelength spectral and timing nature of the microquasar Cygnus X-3

Loading...
Thumbnail Image
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Electrical Engineering | Doctoral thesis (article-based) | Defence date: 2013-09-27
Checking the digitized thesis and permission for publishing
Instructions for the author
Date
2013
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Language
en
Pages
179
Series
Aalto University publication series DOCTORAL DISSERTATIONS, 129/2013
Abstract
Microquasars are double star systems with a compact object, i.e. a neutron star or a black hole, accreting matter from a companion star and occasionally channeling the accreted matter into highly relativistic particle beams called jets. Amongst microquasars Cygnus X-3 is one of the most luminous and as such is an ideal source to study the connection between gravitationally heated, accreted matter close to the compact object and the jet. Cygnus X-3 is also a unique source among microquasars as it contains a massive companion star that drives a strong stellar wind, which causes additional emission scenarios when interacting with the compact object and the jet. This thesis sets out to search and study the observational phenomena caused by this special set of conditions, and attempts to resolve what the link is between different emission scenarios during violent outbursts - the birth of the jet - observed from the source. To study the disk-jet connection in detail a hardness-intensity diagram (HID) is constructed from broadband X-ray data with simultaneous radio observations. Based on the HID a new X-ray/radio state is identified in this thesis: the hypersoft state. This state is softer in the X-ray spectra than previously classified states and exhibits very weak or nonexistent radio emission. The hypersoft state is found to be connected to the jet ejection episodes and to gamma-ray emission detected from Cygnus X-3. The fact that the sequence of events giving birth to a jet differs from other microquasars could be attributed to the strong stellar wind component and/or our line-of-sight almost coinciding with the jet axis. In addition, quasi-periodic oscillations (QPOs) are searched for in the noise-rich X-ray light-curves in an effort to pinpoint the environment in which these oscillations occur. The search resulted in two detections, which are associated to a certain extent with jet ejection episodes. That the QPOs coincide with outbursts points to a direct or indirect jet origin of the QPOs. Finally, principal component analysis (PCA) is used to study the variability of X-ray emission components during outbursts. The PCA studies demonstrate a method for eliminating spectral-fit degeneracy that the X-ray community should be enticed into embracing more widely. The PCA showed that there are two main variability components in play during outbursts. In addition, a double soft-seed population Comptonization scenario is proposed that might occur in other microquasars as well, where so far mostly single soft-seed photon Comptonization models have been used. Multiple studies have shown that such a hot component is required, supporting a different source for the seed photons besides the disk.

Mikrokvasaarit ovat kaksoistähtiä, joissa tavallinen tähti luovuttaa ainetta tiheämmälle, neutronitähdeksi tai mustaksi aukoksi luhistuneelle tähdelle. Tiheän tähden ympärille kiertyvä aine muodostaa kertymäkiekon, jossa kitka kuumentaa ainetta niin, että se muuttuu säteilyksi. Tämän lisäksi aine voi satunnaisesti kanavoitua kompaktin kohteen läheisyydestä lähes valonnopeudella liikkuviin hiukkassuihkuihin tutkijoille vielä tuntemattoman prosessin kautta. Cygnus X-3 on yksi kirkkaimmista mikrokvasaareista. Sen kumppanitähti on raskas, voimakkaan tähtituulen omaava tähti, eikä toista vastaavaa järjestelmää vielä tunneta galaksissamme. Tässä väitöskirjassa tutkitaan ja etsitään ilmiöitä, joita ainutlaatuiset olosuhteet aiheuttavat Cygnus X-3:ssa, varsinkin kohteesta havaittujen voimakkaiden röntgen-, radio-, ja gammapurkausten aikana. Kertymäkiekon ja hiukkassuihkujen välistä yhteyttä tutkitaan väitöskirjassa samanaikaisilla röntgen- ja radiohavainnoilla. Tulosten pohjalta Cygnus X-3:sta pystyttiin erottamaan uusi "hyperpehmeä" spektritila, jolloin kohteesta havaittu kova röntgen- ja radiosäteily on hyvin vähäistä tai olematonta. Hyperpehmeän spektritilan havaittiin olevan yhteydessä hiukkassuihku- ja gammasäteilyjaksoihin. Hiukkassuihkujen syntyminen Cygnus X-3:ssa näyttäisi tapahtuvan eri tavalla kuin muissa mikrokvasaareissa, mikä voi johtua kumppanitähden voimakkaasta tähtituulikomponentista ja/tai hiukkassuihkujen suuntautumisesta kohti Maata. Lisäksi väitöskirjassa etsitään näennäisjaksollisia värähtelyjä kohinarikkaista röntgenvalokäyristä. Etsintä tuotti kaksi havaintoa, jotka molemmat voitiin yhdistää hiukkassuihkujaksoihin. Näennäisjaksollisten värähtelyjen samanaikaisuus purkausten kanssa viittaa vahvasti hiukkassuihkujen suoraan tai epäsuoraan osallisuuteen värähtelyjen synnyssä. Viimeiseksi väitöskirjassa tutkitaan röntgensäteilykomponenttien vaihtelevuutta purkausten aikana pääkomponenttianalyysin avulla. Analyysin mukaan kaksi pääkomponenttia on vastuussa lähes kaikesta röntgensäteilyn vaihtelevuudesta purkausten aikana. Analyysin pohjalta ehdotettua hahmotelmaa, jossa kaksi fotonipopulaatiota Compton-siroaa hiukkassuihkuista voitaisiin soveltaa myös muiden mikrokvasaarien mallisovituksissa, joissa ylimääräinen fotonilähde on aiemmin osoitettu tarpeelliseksi. Pääkomponenttianalyysi osoittautui myös tavaksi vähentää aineiston sovittavien mallien määrää, minkä pitäisi olla houkutteleva menetelmä käytettäväksi yleisemmin röntgentähtitieteessä.
Description
Supervising professor
Hallikainen, Martti, Prof., Aalto University, Finland
Thesis advisor
Hannikainen, Diana, Doc., Metsähovi Radio Observatory, Aalto University, Finland
McCollough, Michael, Dr., Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics, USA
Keywords
microquasars, Cygnus X-3, spectroscopy, time series, X-rays, radio, gamma-rays, mikrokvasaarit, Cygnus X-3, spektroskopia, aikasarja-analyysi, röntgentähtitiede, radio, gammatähtitiede
Other note
Parts
  • [Publication 1]: K. I. I. Koljonen, D. C. Hannikainen, M. L. McCollough, G. G. Pooley, S. A. Trushkin. The hardness-intensity diagram of Cygnus X-3: revisiting the radio/X-ray states. Mon. Not. R. Astron. Soc., 406, 307-319, March 2010.
  • [Publication 2]: K. I. I. Koljonen, D. C. Hannikainen, M. L. McCollough. The reoccurrence of mHz QPOs in Cygnus X-3. Mon. Not. R. Astron. Soc., 416, 84-88, July 2011.
  • [Publication 3]: K. I. I. Koljonen, D. C. Hannikainen, M. L. McCollough, R. Droulans. 2006 May-July major radio flare episodes in Cygnus X-3: spectro-timing analysis of the X-ray data. Mon. Not. R. Astron. Soc., 429, 1173-1188, February 2013.
  • [Publication 4]: M. Tavani, A. Bulgarelli, G. Piano, S. Sabatini, E. Striani, Y. Evangelista, A. Trois, G. Pooley, S. Trushkin, N. A. Nizhelskij, M. McCollough, K. I. I. Koljonen, et al. Extreme particle acceleration in the microquasar Cygnus X-3. Nature, 462, 620-623, December 2009.
  • [Publication 5]: O. Vilhu, P. Hakala, D. C. Hannikainen, M. McCollough, K. Koljonen. Orbital modulation of X-ray emission lines in Cygnus X-3. A&A, 501, 679-686, July 2009.
  • [Publication 6]: K. I. I. Koljonen, D. C. Hannikainen, M. L. McCollough, G. G. Pooley, S. A. Trushkin, M. Tavani, R. Droulans. The disk/jet connection in the enigmatic microquasar Cygnus X-3. In Proc. IAU Symp. 275, Jets at All Scales, Buenos Aires, eds. Romero G., Sunyaev R., Belloni T., Cambridge Univ. Press, Cambridge, 24, p. 285K, February 2011.
Citation