Study of highly magnetised accreting neutron stars in the Magellanic Clouds and beyond

Abstract

My PhD thesis is aimed at gaining new insights on accreting systems hosting highly magnetised (B ≳ 10¹² G), slowly rotating (Ps ≳ 1 s) neutron stars, by studying individual systems and the properties of their populations. My dissertation contains results on different X-ray binary systems that are nevertheless complementary, forming a coherent narrative around accretion under different regimes and environments. The tip of the iceberg is the study of super-Eddington accretion onto neutron stars — a quest that was fuelled by the recent discovery of pulsating neutron stars emitting at X-ray luminosities greatly exceeding the Eddington limit for a typical neutron star. To reach this goal, I first perform a thorough study of X-ray outbursts in systems hosting young neutron stars, aiming to decipher their properties at different luminosity levels. Part I: Accretion in Young Neutron Star Systems In the first part of my thesis, I study X-ray binaries containing young neutron stars and massive companions. Since I am interested in understanding accretion across different luminosity levels and accretion regimes, two key factors are crucial: high-quality data and accurate distance measurements. Systems located in nearby star-forming galaxies are ideal for this purpose. Therefore, I focus on systems located in the nearby Magellanic Clouds. As a member of the “Nearby Galaxy X-ray Group” at the Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics, I have been involved in the study of these two galaxies through high-quality X-ray survey and monitoring observations. Specifically, I analysed both archival and recent data from a large XMM-Newton survey of the Large Magellanic Cloud and compiled an updated catalogue of confirmed and candidate high-mass X-ray binaries in the galaxy. In addition, I obtained monitoring and triggered observations to study systems in the Magellanic Clouds during outbursts. This effort led to the discovery of several new pulsars and one of the first extragalactic supergiant fast X-ray transients. By studying these outbursting systems, I conducted an in-depth analysis of their X-ray spectral properties, identified different continuum emission components, and investigated their behaviour at varying accretion rates. Furthermore, by performing phase-resolved spectral analysis, I was able to disentangle the pulsating part of the spectrum — originating from the neutron star — from a softer component, which is likely produced by the outer magnetosphere and inner accretion disk. I also demonstrated that this soft component can be weakly pulsating, as it can reprocess a significant portion of the emission from the pulsar. Through physically motivated modelling of the pulse profiles of several neutron stars, I reconstructed the 3D emission patterns of these systems. Part II: Super-Eddington Accretion and ULXs In the second part of my thesis, I used the knowledge obtained from typical accreting neutron stars to explore their spectral and temporal properties at mass accretion rates far exceeding the Eddington limit. I demonstrated that their X-ray spectra would be characterised by a thermal signature due to the increased optical depth of the accreted material. I applied this prediction to successfully fit the spectra of most non-pulsating ultraluminous X-ray binary systems and showed that a significant fraction of them could host neutron stars instead of stellar-mass black holes. Finally, I contributed to the study of the fourth confirmed ultraluminous X-ray pulsar, NGC 300 ULX1. By examining its rapid spin evolution — from 120 seconds down to 18 seconds within just 4 years — I tested torque models and demonstrated that both the spectral and temporal properties of the system are consistent with super-Eddington accretion onto a neutron star.

Η διδακτορική μου διατριβή στοχεύει στην απόκτηση νέων γνώσεων σχετικά με συστήματα προσρόφησης που φιλοξενούν έντονα μαγνητισμένους (B ≳ 10¹² G) και αργά περιστρεφόμενους (Ps ≳ 1 s) αστέρες νετρονίων, μελετώντας τόσο μεμονωμένα συστήματα όσο και τις ιδιότητες των πληθυσμών τους. Η διατριβή μου περιέχει αποτελέσματα για διαφορετικά συστήματα ακτινοβολούντων δυαδικών ακτίνων-Χ, τα οποία ωστόσο είναι συμπληρωματικά και συμβάλλουν στη διαμόρφωση μιας συνολικής εικόνας της προσρόφησης σε διαφορετικά καθεστώτα και περιβάλλοντα. Η κορυφή του παγόβουνου είναι η μελέτη της υπερ-Εντιγκτονιανής προσρόφησης σε αστέρες νετρονίων, μια έρευνα που ενισχύθηκε από την πρόσφατη ανακάλυψη παλλόμενων αστέρων νετρονίων οι οποίοι εκπέμπουν σε φωτεινότητες ακτίνων-Χ που υπερβαίνουν κατά πολύ το όριο Eddington για έναν τυπικό αστέρα νετρονίων. Όμως, για να φτάσω σε αυτόν τον στόχο, αρχικά πραγματοποιώ μία διεξοδική μελέτη εκρήξεων ακτίνων-Χ από συστήματα που φιλοξενούν νέους αστέρες νετρονίων, με σκοπό την αποκρυπτογράφηση των ιδιοτήτων τους σε διαφορετικά επίπεδα φωτεινότητας. Στο πρώτο μέρος, μελετώ δυαδικά συστήματα ακτίνων-Χ που περιέχουν νέους αστέρες νετρονίων και μαζικούς συνοδούς. Καθώς ενδιαφέρομαι για τη μελέτη της προσρόφησης σε διαφορετικά επίπεδα φωτεινότητας και καθεστώτα προσρόφησης, δύο παράγοντες είναι ιδιαίτερα σημαντικοί: η ποιότητα των δεδομένων και ο ακριβής προσδιορισμός των αποστάσεων. Για αυτόν τον λόγο, τα συστήματα που βρίσκονται σε κοντινούς, σχηματίζοντες αστέρες γαλαξίες είναι ιδανικά για τη συγκεκριμένη μελέτη. Ως εκ τούτου, εστιάζω στα συστήματα που βρίσκονται στις κοντινές Νεφέλες του Μαγγελάνου. Ως μέλος της ερευνητικής ομάδας "Nearby Galaxy X-ray Group" στο Ινστιτούτο Εξωγήινης Φυσικής Max Planck, συμμετείχα ενεργά στη μελέτη των δύο αυτών γαλαξιών μέσω υψηλής ποιότητας επιτηρήσεων και παρατηρήσεων ακτίνων-Χ. Συγκεκριμένα, ανέλυσα αρχειακά και πρόσφατα δεδομένα από μια μεγάλη έρευνα με το XMM-Newton για το Μεγάλο Νέφος του Μαγγελάνου και συνέταξα έναν ενημερωμένο κατάλογο επιβεβαιωμένων και υποψήφιων συστημάτων ακτίνων-Χ υψηλής μάζας στον γαλαξία. Επιπλέον, εξασφάλισα επιτηρήσεις και παρατηρήσεις με αφορμή εκρήξεις για περαιτέρω μελέτη συστημάτων στις Νεφέλες του Μαγγελάνου κατά τη διάρκεια των εκρήξεών τους. Αυτό οδήγησε στην ανακάλυψη αρκετών νέων παλλόμενων πηγών και ενός από τους πρώτους εξωγαλαξιακούς ταχέως μεταβαλλόμενους υπεργίγαντες ακτινοβολούντων ακτίνων-Χ. Μέσα από τη μελέτη αυτών των εκρηκτικών συστημάτων, κατάφερα να πραγματοποιήσω εις βάθος ανάλυση των φασματικών ιδιοτήτων τους στις ακτίνες-Χ, να αναγνωρίσω διαφορετικά συστατικά της συνεχούς εκπομπής και να μελετήσω τις ιδιότητές τους σε διαφορετικούς ρυθμούς προσρόφησης. Επιπλέον, με φασματική ανάλυση ανά φάση παλμού, διαχώρισα το παλλόμενο τμήμα του φάσματος που προέρχεται από τον αστέρα νετρονίων, από ένα πιο απαλό (soft) συστατικό που προέρχεται από το εξωτερικό μαγνητόσφαιρο και τον εσωτερικό δίσκο προσρόφησης. Έδειξα επίσης ότι αυτό το απαλό συστατικό μπορεί να είναι εξασθενημένα παλλόμενο, καθώς αναδιαχέει σημαντικό μέρος της εκπομπής που προέρχεται από τον παλλόμενο αστέρα. Με φυσικά τεκμηριωμένη μοντελοποίηση του προφίλ παλμού διαφόρων αστέρων νετρονίων, εξήγησα το τρισδιάστατο μοτίβο εκπομπής αυτών των συστημάτων. Στο δεύτερο μέρος, χρησιμοποιώ τη γνώση που αποκτήθηκε από τη μελέτη τυπικών προσροφώντων αστέρων νετρονίων για να ερευνήσω τις φασματικές και χρονικές τους ιδιότητες σε ρυθμούς που υπερβαίνουν κατά πολύ το όριο Eddington. Έδειξα ότι το φάσμα ακτίνων-Χ τους χαρακτηρίζεται από θερμικά χαρακτηριστικά λόγω της αυξημένης οπτικής πυκνότητας του προσροφούμενου υλικού. Χρησιμοποίησα αυτήν την πρόβλεψη για να προσαρμόσω επιτυχώς τα φάσματα των περισσότερων μη-παλλόμενων εξαιρετικά φωτεινών δυαδικών ακτίνων-Χ (ULX) και απέδειξα ότι ένα μεγάλο ποσοστό αυτών θα μπορούσε να φιλοξενεί αστέρες νετρονίων αντί για μαύρες τρύπες αστρικής μάζας. Τέλος, συμμετείχα στη μελέτη του τέταρτου αναγνωρισμένου εξαιρετικά φωτεινού παλλόμενου δυαδικού ακτίνων-Χ, του NGC 300 ULX1. Μελετώντας τη γρήγορη εξέλιξη της περιόδου του —από 120 s σε 18 s μέσα σε 4 χρόνια— δοκίμασα μοντέλα ροπής και απέδειξα ότι οι φασματικές και χρονικές ιδιότητες του συστήματος είναι συμβατές με ρυθμούς υπερ-Εντιγκτονιανής προσρόφησης σε αστέρα νετρονίων.