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

dc.contributorAalto-yliopistofi
dc.contributorAalto Universityen
dc.contributor.advisorHannikainen, Diana, Doc., Metsähovi Radio Observatory, Aalto University, Finland
dc.contributor.advisorMcCollough, Michael, Dr., Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics, USA
dc.contributor.authorKoljonen, Karri I. I.
dc.contributor.departmentRadiotieteen ja -tekniikan laitosfi
dc.contributor.departmentDepartment of Radio Science and Engineeringen
dc.contributor.labMetsähovi Radio Observatoryen
dc.contributor.labMetsähovin radiotutkimusasemafi
dc.contributor.schoolSähkötekniikan korkeakoulufi
dc.contributor.schoolSchool of Electrical Engineeringen
dc.contributor.supervisorHallikainen, Martti, Prof., Aalto University, Finland
dc.date.accessioned2013-09-24T09:00:14Z
dc.date.available2013-09-24T09:00:14Z
dc.date.dateaccepted2013-05-16
dc.date.defence2013-09-27
dc.date.issued2013
dc.description.abstractMicroquasars 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.en
dc.description.abstractMikrokvasaarit 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.fi
dc.format.extent179
dc.format.mimetypeapplication/pdf
dc.identifier.isbn978-952-60-5297-7 (electronic)
dc.identifier.isbn978-952-60-5296-0 (printed)
dc.identifier.issn1799-4942 (electronic)
dc.identifier.issn1799-4934 (printed)
dc.identifier.issn1799-4934 (ISSN-L)
dc.identifier.urihttps://aaltodoc.aalto.fi/handle/123456789/10969
dc.identifier.urnURN:ISBN:978-952-60-5297-7
dc.language.isoenen
dc.opnDr. Julien Malzac, Université de Toulouse, France
dc.publisherAalto Universityen
dc.publisherAalto-yliopistofi
dc.relation.haspart[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.
dc.relation.haspart[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.
dc.relation.haspart[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.
dc.relation.haspart[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.
dc.relation.haspart[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.
dc.relation.haspart[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.
dc.relation.ispartofseriesAalto University publication series DOCTORAL DISSERTATIONSen
dc.relation.ispartofseries129/2013
dc.revProf. Thomas Maccarone, Texas Tech University, TX, USA
dc.revDr. John Tomsick, University of California, Berkeley, CA, USA
dc.subject.keywordmicroquasarsen
dc.subject.keywordCygnus X-3en
dc.subject.keywordspectroscopyen
dc.subject.keywordtime seriesen
dc.subject.keywordX-raysen
dc.subject.keywordradioen
dc.subject.keywordgamma-raysen
dc.subject.keywordmikrokvasaaritfi
dc.subject.keywordCygnus X-3fi
dc.subject.keywordspektroskopiafi
dc.subject.keywordaikasarja-analyysifi
dc.subject.keywordröntgentähtitiedefi
dc.subject.keywordradiofi
dc.subject.keywordgammatähtitiedefi
dc.subject.otherSpace technologyen
dc.titleThe multiwavelength spectral and timing nature of the microquasar Cygnus X-3en
dc.titleMikrokvasaari Cygnus X-3:n spektri- ja aikasarjaominaisuudetfi
dc.typeG5 Artikkeliväitöskirjafi
dc.type.dcmitypetexten
dc.type.ontasotDoctoral dissertation (article-based)en
dc.type.ontasotVäitöskirja (artikkeli)fi
local.aalto.digiauthask
local.aalto.digifolderAalto_66698
Files
Original bundle
Now showing 1 - 1 of 1
No Thumbnail Available
Name:
isbn9789526052977.pdf
Size:
6 MB
Format:
Adobe Portable Document Format