The spectral and temporal variability of the isolated X-ray pulsar RX J0720.4-3125 = Untersuchung der spektralen und zeitlichen Variabilität des isolierten Röntgenpulsars RX J0720.4-3125 [[Elektronische Ressource]] / Markus Matthias Hohle. Gutachter: Ralph Neuhäuser ; Joachim Trümper ; Fred Walter

Description

The spectral and temporal variabilityof the isolated X-ray pulsarRX J0720.4-3125Untersuchung der spektralen und zeitlichenVariabilitat des isolierten R ontgenpulsarsRX J0720.4-3125A thesis submitted for the degree ofdoctor rerum naturalium (Dr. rer. nat.)th2010 September 29presented to the council of the Physikalisch-Astronomische Fakultat derFriedrich-Schiller-Universitat JenaDipl. Phys. Markus Matthias Hohlethborn on November 12 1982 in P o neck, Thuringia, GermanyMax-Planck-Institut fur extraterrestrische Physik, Garching, GermanyAstrophysikalisches Institut und Universitatssternwarte derFriedrich-Schiller-Universitat, Jena, Germany1. Reviewer: Prof. Dr. Ralph Neuhauser2. Reviewer: Prof. Dr. Joachim Trump er (Co-referent)3. Reviewer: Prof. Dr. (USA) Fred WalterDay of the defense: January, 27th 2011Signature from head of PhD committee:AbstractThe radio-quiet thermally emitting X-ray pulsar RX J0720.4 3125 belongs toa group of seven isolated neutron stars (often referred to as the \Magni centSeven"). They share similar properties such as pure thermal radiation (blackbody emission with broad absorption features in some cases), long pulse peri-13ods (3 12 s) and high magnetic eld strengths ( B 10 Gauss) on theirsurfaces. These neutron stars are nearby ( 500 pc) and up to a few millionyears old (i.e. relatively young and still hot), thus, most of them have beenidenti ed with dim ( 25 28 mag) blue optical counterparts.RX J0720.

Sujets

• Astronomie

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• Publié le: 01 janvier 2011
• Nombre de lectures: 35
• Langue: English
• Poids de l'ouvrage: 3 Mo

Extrait

TheofsptheectralandisolatedtempX-raoyralvapulsarriability
J0720.4-3125RX

VaUntersuchungriabilit¨atdesderspisoliertenektralenR¨undontgenpulsazeitlichenrs
J0720.4-3125RX

Athesissubmittedforthedegreeof
doctorrerumnaturalium(Dr.rer.nat.)
th29erSeptemb2010

presentedtothecouncilofthePhysikalisch-AstronomischeFakulta¨tder
Jenaat¨riedrich-Schiller-UniversitF

Dipl.Phys.MarkusMatthiasHohle

bornonNovember12th1982inP¨oßneck,Thuringia,Germany

Max-Planck-Institutf¨urextraterrestrischePhysik,Garching,Germany
AstrophysikalischesInstitutundUniversit¨atssternwarteder
Friedrich-Schiller-Universit¨at,Jena,Germany

1.Reviewer:Prof.Dr.RalphNeuh¨auser

2.Reviewer:Prof.Dr.JoachimTr¨umper(Co-referent)

3.Reviewer:Prof.Dr.(USA)FredWalter

yDa

of

the

defense:

ryJanua,

27th

2011

Signature

from

head

of

PhD

committee:

Abstract

Theradio-quietthermallyemittingX-raypulsarRXJ0720.4−3125belongsto
agroupofsevenisolatedneutronstars(oftenreferredtoasthe“Magnificent
Seven”).Theysharesimilarpropertiessuchaspurethermalradiation(black
bodyemissionwithbroadabsorptionfeaturesinsomecases),longpulseperi-
ods(3−12s)andhighmagneticfieldstrengths(B≈1013Gauss)ontheir
surfaces.Theseneutronstarsarenearby(≤500pc)anduptoafewmillion
yearsold(i.e.relativelyyoungandstillhot),thus,mostofthemhavebeen
identifiedwithdim(25−28mag)blueopticalcounterparts.
RXJ0720.4−3125isuniqueamongthe“MagnificentSeven”asitshowslong
termvariationsinitsspectralproperties(temperature,sizeoftheemittingarea
andequivalentwidthofthebroadabsorptionfeature)andirregularitiesinthe
pulseperiodontimescalesofyears.
Themaintwotheoriesputforwardtoexplainthebehaviourof
RXJ0720.4−3125areeitherfreeprecessionoraglitch−asuddeneventlike
astarquakeoranimpactofamassiveobject,thatreleasedmuchenergyina
time.rtshoInthiswork,mostrecentdatafromnewobservationswithXMM-Newtonand
Chandraaswellasalreadyexistingarchivaldataareanalysed(altogethernow
coveringatimespanofalmosttwentyyears).Whilethespectralchanges
clearlydonotfollowasinusoidalvariationifthenewobservationsareincluded,
thephaseresidualsseemtofollowaperiodicbehaviour.Anupdatedphase
coherenttimingsolutionwasperformedanditwasshownthatforsuchinvesti-
gationsarestrictiontothehardenergybandat400−1000eVismostsuitable
toachievebestagreementbetweenthephaseresidualsderivedfromdifferent
X-rayinstruments.Basedonthenewdata,differenttheoriestoexplainthe
behaviourofRXJ0720.4−3125aremodeled,reviewedanddiscussed,aswell
asphysicalconsequencesoftheconclusionsarepresented.
Themodeloffreeprecessionexplainswellthetimingbehaviourof
RXJ0720.4−3125,butdoesnotsufficientlyreproducethespectralvaria-
tions.However,sinceprecessionexplainsthevariablephaseshiftbetweenhard
(400−1000eV)andsoft(120−400eV)photons,itisstillfavoured;but,now

i

withalongtermperiodof≈14yrs(not7yrsaspreviouslysuspected).The
longtermprecessionperiodwouldcorrespondtoanellipticityof≈2×10−8
fortheneutronstar.
Afterco-addingallXMM-NewtonRGSandChandraHRC-S/LETGdata,three
narrowabsorptionfeatures(amongthem,twowereunknownbefore)arede-
tectedinthespectraofRXJ0720.4−3125.Theseabsorptionfeatureslikely
originatefromhighlyionisedandneutraloxygen.

Derradioleise,thermischstrahlendeR¨ontgenpulsarRXJ0720.4−3125geh¨ort
zueinerGruppevonsiebenisoliertenNeutronensternen(oftalsdie“Glorrei-
chenSieben”bezeichnet),welchesehr¨ahnlicheEigenschaftenaufweisen.Dies
sindreinethermischeStrahlung(Schwarzk¨orperstrahlung,ineinigenF¨allenmit
Absorptionslinien),langePulsperioden(3−12s)undhoheMagnetfelddichten
(B≈1013Gauss)aufihrenOberfl¨achen.DieseNeutronensternesindsehrnah
(≤500pc)undh¨ochstenswenigeJahrmillionenalt(alsorelativjungunddes-
halbnochheiß).Daherwurdeneinigeauchalsleuchtschwache(25−28mag)
identifiziert.QuellenoptischeblaueUnterden“GlorreichenSieben”istRXJ0720.4−3125einzigartig,daseinespek-
tralenEigenschaften(Temperatur,Gr¨oßederemittierendenFl¨acheundTiefe
derbreitenAbsorptionslinie)sowiediePulsperiodeinZeitr¨aumenvonJahren
riieren.vaDiebeidenhaupts¨achlichdiskutiertenTheorien,welchedasVerhaltenvon
RXJ0720.4−3125erkl¨arenk¨onnten,sindfreiePr¨azessionodereinsogenannter
Glitch−einpl¨otzlichesEreignis,wiez.B.einSternbebenoderderEinschlag
einesmassereichenObjektes,welcherinkurzerZeitvielEnergiefreisetzte.
IndieserArbeitwerdenj¨ungsteDatenvonneuestenBeobachtungenmitXMM-
NewtonundChandrazusammenmitschonexistierendenArchivdaten(ins-
gesamteineZeitspannevonfastzwanzigJahren)ausgewertetundunter-
sucht.W¨arenddiespektralenVer¨anderungendeutlichkeinersinusf¨ormigen
Ver¨anderungmehrfolgen,wennmandieneuenBeobachtungenhinzuzieht,
scheinendiePhasenresidueneinemperiodischenVerhaltenzuunterliegen.Eine
aktualisiertephasenkoherenteZeitl¨osungwurdeerhaltenundzeigte,daßeine
BegrenzungaufdasharteEnergieband(400−1000eV)amgeeignetstenist,
umdievonverschiedenenR¨ontgendetektorenerhaltenenPhasenresiduenin
¨Ubereinstimmungzubringen.VondenneuenDatenausgehend,werdenver-
schiedeneTheorien,welchedasVerhaltenvonRXJ0720.4−3125erkl¨aren,mod-
elliertunddiskutiert,sowiederenG¨ultigkeitneubewertetunddiedarausfol-

ii

gendenphysikalischenKonsequenzener¨ortert.

DasModellderfreienPr¨azessionkannzwanglosdaszeitlicheVerhaltenvon

RXJ0720.4−3125erkl¨aren,reproduziertjedochdiespektralenVer¨anderungen

nichtzufriedenstellend.DaallerdingsfreiePr¨azessiondievariablePhasen-

verschiebungzwischenhartem(400−1000eV)undweichem(120−400eV)

Banderkl¨arenkann,istsieimmernochfavorisiert,abernunmiteinerLangzeit-

periodevonetwa14Jahren(stattsiebenJahren,wiezuvorvermutet).Die

Langzeitpr¨azessionsperiodew¨urdeeinerElliptizit¨atdesNeutronensternsvon
≈2×10−8entsprechen.

DurchdasAufaddierenallerXMM-NewtonRGSundderChandraHRC-

S/LETGDatenkonntendreischmaleAbsorptionslinien(darunterzweibisher

unbekannte)indenSpektrenvonRXJ0720.4−3125detektiertwerden.Diese

stammenrptionslinienAbso

Sauerstoff.tralem

sehr

ahrscheinlichw

iii

von

hochionisiertem

und

neu-

iv

Thesis

•Thelongtermspectralchanges(temperature,sizeoftheemittingareaandequivalent
widthoftheabsorptionfeature)oftheyoungisolatedX-raypulsarRXJ0720.4−3125
donotfollowasinusoidaltrend.

•IntheX-rayspectraofRXJ0720.4−3125,inparticularintheChandraHRC-S/LETG
spectra,absorptionfeaturesweredetected.Mostlikely,theabsorptionlinesare
causedbyhighlyionisedoxygen(OVII/OVIorredshiftedOVIIIat0.57keV,red-
shiftedOVII/OVIat0.48keV)andneutraloxygenat0.53keV(likelycausedbythe
interstellarmedium).Thepresuminglyredshiftedlinesyieldagravitationalredshift
ofgr=1.17.

•Thephaseresidualsderivedfromtheobservationsperformedwithdifferentinstru-
mentsareonlycomparableiftheanalysisisrestrictedtoaparticularenergyband.
Thebestagreementisachievedforthehardenergybandof0.4−1.0keV.This
restrictiontothehardenergybandaccountsbestforthedifferentsensitivitiesofthe
instruments.riousva

•Theupdatedtimingsolutionforthehard(0.4−1.0keV)andthesoftenergy(0.12−
0.4keV)bandleadtolargevaluesforthephaseresidualsifthesimplemodelwith
applied.iswnspin-doconstant

•Thephaseresidualsarereducedifaglitcheventisaddedtothesimpletimingsolution.
However,theglitchsolutionfrompreviousauthorshastobemodified.

•ThephaseresidualsalsoreduceifitisassumedthatRXJ0720.4−3125isafree
precessingneutronstarwithalongtermperiodof14years.Freeprecessionalso
explainsthevariablephasedifferencebetweenthehardandthesoftenergyband.

v

vi

ur¨F

meine

lieb

e

vii

kleine

Leonie.

Acknogementsedlw

Thisworkhasbenefitedfromthesupportandinvolvementofmanypeopleinvarious
regards,thusIamdeeplyindebtedtothem.

SincerethanksaregiventoFrankHaberlforsuggestingandmentoringthisthesis,
aswellasforthepleasantcollaborationinthepastthreeyears.Ihavelearnedplenty
ofimportantthingsinthistime.Theintroductioninthenewsubjectwassimplified
sinceheprovidedmehissoftwarefortheXMM-Newtondatareduction.
IammuchobligedtoRalphNeuh¨auser,whosignificantlysupportedmyscientific
career.Iliketothankhimforhisopennessandawarenessalsoregardingprivate
requests.Thelatteralsohelpedmetoovercomeahardstrokeinmyfamily.
DuringmyvisitsinGarchingIalwaysfeltwelcomed,thusIwouldliketothankthe
X-raygroupforthepleasanttime.
IliketothankBirgitBollerandMonikaM¨ullerforthesupporttoovercomediverse
administrativethingsandIthankMarionLamprechtforthecheerfulaccommodation
duringmystaysattheMPE.ThankstoHaraldBaumgartnerandJ¨urgenWeiprecht
whocaredforthecomputationalsupportattheMPEinGarchingandtheAIUin
.ectivelyrespJena,Inthepastfouryears,sinceIamattheAIUinJena,itwasapleasuretoworkwith
manycolleagues,someevenbecamefriends.Iwouldliketothankthemforthegreat
time.DuringmyworkonneutronstarsIlearnedalotfromsharingknowledgeandideas
withotherscientists.InthisregardIwouldliketoacknowledgemyco-authors
RobertoTurollaformanyfruitfuldiscussionsandideas,JaccoVinkinparticular
forhissupportregardingtomyfirstXMM-Newtonproposal,SilviaZane,Mariano
M´endezandCordeVries.InthisregardmysincerethanksaregiventoSergeiPopov.
IliketothankTheodorPribullaforfittingthephaseresidualswithorbitalmotion
causedbyacompanionwithhiscodeandthanksaregiventoBettinaPosseltforthe
fruitf