Combined spectral and temporal analysis of a Her X-1 Turn-On

Abstract

Der 35 Tage Zyklus im akkretierenden Röntgenpulsar Her X-1 ist einer der deutlichsten Beobachtungs-Hinweise für eine geneigte, verbogene und präzedierende Akkretionsscheibe in einem Doppelsternsystem. Im September 1997 wurde die Quelle mit dem Röntgensatelliten RXTE mit hoher zeitlicher und spektraler Auflösung im Spektralbereich von 2-200 keV beobachtet. Die Beobachtung mit einer Gesamtlänge von 3 Tagen umfasst einen Turn-On des 35 Tage Präzessions-Zyklus der Akkretionsscheibe. Dies entspricht dem Zeitraum, zu dem der äußere Rand der Akkretionsscheibe die Sicht auf den Neutronenstern frei gibt. Diese Arbeit stellt die Ergebnisse einer zeitlichen und spektralen Analyse der Daten vor.

Das phasengemittelte Kontinuum von Her X-1 während des Turn-On wird gut durch ein Partial Covering Modell beschrieben. Dieses Modell setzt sich zusammen aus einer stark absorbierten Power-Law-Komponente (alpha ungefähr 1.0) mit einem exponentiellen Abfall (E_cut ungefähr 21 keV) und einer zusätzlichen spektralen Komponente mit gleichem Verlauf die nicht absorbiert ist. Das Spektrum weisst eine Eisenfloureszenzlinie bei ungefähr 6.4 keV auf und zeigt eine schwache Zyklotronresonanzlinie bei 39.9 keV. Die Energieauflösung des PCA von RXTE ist zu niedrig, um eine systematische Variation der Eisenlinie mit der Zeit zu untersuchen. Aus der Linienlage der Zyklotronlinie lässt sich direkt eine Magnetfeldstärke von 4.1x10^12 Gauss ableiten.

Die Rotationsperiode des Neutronensterns wurde aus den Daten bestimmt und ist in guter Übereinstimmung mit den Ergebnissen aus anderen Beobachtungen. Dies bestätigt die lang anhaltende Spin-Up Phase von Her X-1, die sich erst vor kurzer Zeit zu einem Spin-Down geändert hat. Eine Zerlegung des Pulsprofils in die Beiträge der beiden Neutronensternpole liefert ähnliche Ergebnisse für den Turn-On, wie die für das Pulsprofil im Main-On. Das beobachtete Pulsprofil wird bei hohen Energien von einem "Pencil Beam" Anteil dominiert, aber beinhaltet auch Anteile eines "Fan Beams". Die Änderungen des Pulsprofils und des Anteils an gepulstem Fluss zu Beginn des Turn-On sind konsistent mit der Form eines Main-On Pulsprofils, das durch photoelektrische Absorption und Thomson-Streuung beeinflusst ist.

Die Entwicklung der Wasserstoffsäulendichte N_h und der Covering Fraction während des Turn-Ons kann durch ein einfaches geometrisches Modell erklärt werden, das eine Akkretionsscheibenkorona und den äusseren Rand der Akkretionsscheibe mit einbezieht. Das Modell kann auch die beobachtete Entwicklung des Pulsprofils in den unterschiedlichen Energiebereichen erklären. Zusätzlich wurden die zeitliche Signatur einer streuenden heissen Korona auf gepulste und gerichtete Emission untersucht und die Ergebnisse dargestellt. Ein Vergleich der Ergebnisse der Simulation mit den beobachteten Pulsprofilen unterstützt das geometrische Modell des Turn-Ons.

The 35 day cycle of the accreting X-ray pulsar Her X-1 provides one of the best evidences for an inclined, warped, and precessing accretion disk in a binary system. In 1997 September the source was observed with the X-ray satellite RXTE with high temporal and spectral resolution in the energy band of 2-200 keV. The 3 days long observation covers a full turn-on of the 35 day precession cycle of the accretion disk, which is the time when the outer edge of the disk frees the line of sight to the neutron star. In this thesis I present results of the temporal and spectral analysis of the data.

The phase averaged continuum spectrum of Her X-1 during the turn-on is well described by a partial covering model, which combines a heavily absorbed power-law spectral component (alpha approx. 1.0) with an exponential cut-off (E_cut approx. 21 keV) and a similar spectral component which is not affected by absorption. The spectrum shows a strong signature of iron flourescent emission at approx. 6.4 keV and a weak Cyclotron resonant scattering feature at 39.9 keV. The energy resolution of the PCA on-board of RXTE is too low for a systematic study of a variation of the iron line with time. The energy of the CRSF indicates a magnetic field strength of 4.1x10^12 Gauss which confirms recent findings.

The spin period of the neutron star was determined from the data and is in agreement with other observations. This confirms the long spin-up period of Her X-1 which only recently changed to a spin-down. A decomposition of the pulse profile into the contribution of the two neutron star poles gives similar results for the turn-on as for the main-on pulse profile. The observed pulse profile is dominated by a "pencil beam" component at high energies, but shows a signature of a "fan beam" component as well. The changes in shape of the pulse profile and the pulsed flux ratio towards the beginning of the turn-on are consistent with the shape of a main-on pulse profile which is modified by photoelectric absorption and Thomson scattering.

The evolution of the absorbing column N_h and the covering fraction during the turn-on can be explained by a simple geometric model which includes an accretion disk corona and the influence of the outer accretion disk rim. This model can also explain the observed pulse evolution in different energy bands. In addition the temporal signature of a partially ionized corona on beamed and pulsed emission is simulated and the results presented. These results in turn are used to simulate the influence of a scattering hot corona on pulsed emission. Comparing the results of the simulations with the observed pulse profiles supports the presented geometric model of the turn-on.