X-ray and optical observations of globular clusters and pulsars [Elektronische Ressource] / vorgelegt von Hsiu-Hui Huang

Huang Rentao, Hsiu-Hui

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• Physik

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• Publié par: ludwig-maximilians-universitat_munchen
• Publié le: 01 janvier 2010
• Nombre de lectures: 27
• Langue: English
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Extrait

X ray and Optical observations of
Globular Clusters and Pulsars
Hsiu Hui Huang
¨Munchen 2010X ray and Optical observations of
Globular Clusters and Pulsars
Hsiu Hui Huang
Dissertation
an der Fakultat¨ fur¨ Physik
der Ludwig–Maximilians–Universitat¨
Munchen¨
vorgelegt von
Hsiu Hui Huang
aus Taiwan
Munchen,¨ den 22 April 2010Erstgutachter: Prof. Dr. Werner Becker
Zweitgutachter: PD Dr. Markus Kissler Patig
Tag der mundlichen¨ Prufung:¨ 10 June 2010Contents
Summary xiii
1 Introduction I – Globular Clusters 1
1.1 Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.2 Structural and Dynamical Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.3 Binary Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2 Introduction II – Neutron Stars and Pulsars 19
2.1 A brief History of Neutron Stars . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.2 Physics and Astrophysics of Neutron Stars . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2.2.1 Rotation powered Pulsars: the Magnetic Braking Model . . . . . . . . . 21
2.2.2 High energy Emission Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
2.2.3 Rotation powered Millisecond Pulsars . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
3 Observatories & Telescopes 33
3.1 X ray Observatories . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
3.1.1 Chandra X ray Observatory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
3.1.2 XMM Newton X ray Observatory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
3.2 The Hubble Space Telescope . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
4 XMM Newton Observations of PSR B1957+20 45
4.1 Abstract . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
4.2 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
4.3 Observations and Data Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
4.3.1 Spatial Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
4.3.2 Spectral . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
4.3.3 Timing Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
4.4 Summary and Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
5 X rays from the Eclipsing Millisecond Pulsar PSR J1740–5340 in NGC 6397 57
5.1 Abstract . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
5.2 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
5.3 Observations and Data Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59vi CONTENTS
5.3.1 Search for Orbital Modulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
5.3.2 Spectral Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
5.4 Summary and Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
6 X ray counterparts of millisecond pulsars in Globular Clusters 67
6.1 Abstract . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
6.2 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
6.3 Observation and Data Reduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
6.3.1 Source Detection and Identification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
6.3.2 Search for Temporal Variability . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
6.3.3 Spectral Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
6.4 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
7 Chandra X ray Observatory Observations of the Globular Cluster M71 101
7.1 Abstract . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
7.2 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
7.3 Observations, Data Reprocessing, and Source Detection . . . . . . . . . . . . . . 103
7.4 Distributions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
7.5 Power law Spectral Fits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
7.6 X ray Color–Color Diagram . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
7.7 Searches for Counterparts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
7.7.1 2MASS, USNO, & TYCHO 2 Catalogs . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
7.7.2 HST data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
7.7.3 Variable Sources . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
7.7.4 X ray Catalogs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
7.7.5 The Milli second Pulsar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
7.8 Individual Sources . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
7.9 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
8 Study of HST counterparts to Chandra X ray sources in M71 131
8.1 Abstract . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
8.2 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
8.3 X ray Observations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133
8.4 Opticalations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134
8.4.1 Data Reduction and Photometry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
8.4.2 Astrometry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137
8.5 Source Identification and Classification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139
8.6 Summary and Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145
9 Conclusion and Future Prospect 151
9.1 Eclipsing Binary Pulsars . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151
9.2 Millisecond Pulsars in Galactic Globular Clusters . . . . . . . . . . . . . . . . . 155
9.3 Globular Clusters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157Inhaltsverzeichnis vii
9.4 Future Prospects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158
Bibliography 161
Acknowledgements 173
Curriculum Vitae 174viii CONTENTSList of Figures
1.1 Schematic color magnitude diagram of a typical globular cluster . . . . . . . . . 3
1.2 The evolution of a globular cluster . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.3 The various types of objects suggested as X ray sources in globular clusters . . . 10
1.4 An artists impression of the flow of material onto a compact object. . . . . . . . 12
1.5 Diagram of a Polar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
1.6 of an Intermediate Polar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.1 Diagram of the magnetic dipole model of a pulsar . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
˙2.2 The P P diagram . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
3.1 Illustration of the Chandra X ray Observatory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
3.2 Chandra’s X ray mirror assembly. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
3.3 Sketch of the XMM Newton payload . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
3.4 The Hubble Space Telescope and its instruments . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
4.1 A composite X ray and optical image of the black widow pulsar . . . . . . . . . 47
4.2 XMM Newton MOS1/2 image of the PSR B1957+20 . . . . . . . . . . . . . . . 49
4.3 Energy spectrum of PSR B1957+20 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
4.4 X ray orbital light curve of PSR B1957+20 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
4.5 The EPIC PN count rate of PSR+20 vs. the orbital phase . . . . . . . . . 54
5.1 Orbital phase coverages of Chandra observations targeted on PSR J1740–5340. . 60
5.2 X ray orbital light curve of PSR J1740–5340 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
5.3 The cumulative distribution function from the observed data of PSR J1740–5340 64
5.4 ACIS S3 count rates of PSR J1740–5340 vs.ation dates . . . . . . . . . . 64
6.1 A histogram of radio and X ray detected MSPs in globular clusters . . . . . . . . 69
6.2 Chandra ACIS S view on the globular clusters Terzan 5 and 47 Tucanae . . . . . 73
6.3 images of M28 and M15 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
6.4 Chandra ACIS S view on the globular clusters NGC 6440 and M62 . . . . . . . 75
6.5 A view on the globular NGC 6752 . . . . . . . . . . . . . 76
6.6 Chandra ACIS S view on the globular clusters M3 and M5 . . . . . . . . . . . . 77
6.7 images of M13 and NGC 6441 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
6.8 Chandra ACIS S view on the globular clusters M30 and NGC 6544 . . . . . . . 79x LIST OF FIGURES
6.9 Chandra ACIS S view on the globular clusters M4 and M71 . . . . . . . . . . . 80
6.10 A view on the globular NGC 6397 . . . . . . . . . . . . . 81
6.11 Orbital light curves of the pulsars M28G and M28H . . . . . . . . . . . . . . . . 82
6.12 Energy spectrum of the millisecond pulsar PSR J1824–2452A in M28 . . . . . . 85
6.13 Confidence contours showing the blackbody normalization versus temperature . . 87
˙6.14 The L E relations for the GC and field MSPs . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90X
6.15 Cumulative luminosity functions for the GC and field MSPs .