The radio emitting X-ray binary systems LS 1+61°303 and Cygnus X-3

Abstract

The purpose of this work has been the study of Radio Emitting X-Ray Binaries (REXRBs) both from the observational and theoretical approaches. <br/><br/>We have mainly concentrated in the analysis of their properties inferred from their emission in radio and X-ray wavelengths. Our observational contribution has been done specially at different centimetric and millimetric wavelengths, although contrast with other bands of the electromagnetic spectrum has been always considered. <br/><br/>From the about 25 REXRBs detected, we have directly observed and analyzed the sources LS 1+61 °303 and Cygnus X-3, both radiostars known for they highly variable radio emission events. <br/><br/>The most remarkable characteristic of LS I+61°303 is the recurrent display of radio outbursts that show complex light curve profiles with a period similar to 26.5 days. It is noticeable that, with the exception of pulsars, LS I+61°303 and Cygnus X-l, are the only two known periodic radio sources. Cygnus X-3 is also well known for the exhibition of strong radio flares. The system spends most of the time in quiescent state, at a level of few hundreds of mJv. It normally exhibits variability in time scales of hours suspected of having periodical or quasi periodical trends. When an outburst occurs the source reaches peak flux densities of tens of Jv at centimetric wavelengths, which converts it during some days in one of the brightest radio source of the sky. Cygnus X-3 strong flares are irregularly spaced with a mean recurrence interval of ~120 days. <br/><br/>The flaring events are believed to involve the ejection and acceleration of ionized plasma clouds (plasmons) responsible for the radio emission via synchrotron radiation. <br/><br/>The reasons for selecting this two sources as the objects to use in our study are mainly related to their flaring behaviour, and they can be summarized in the following points: <br/><br/>· Due to their outbursting properties they are intrinsically interesting as independent sources among the REXRBs. <br/><br/>· The sudden release of relativistic particles that provokes the flaring radio emission can help to better understand the origin of such particles and conditions of the system at the epochs of the outburst occurrence. That can be extrapolated to non-flaring radio emitters. <br/><br/>· In concrete, the periodical behaviour of LS I+61°303 (the only REXRB of such characteristic in the northern hemisphere) allows to predict the phases when the source is in active state. Such predictability facilitates the scheduling of observations, depending on whether we are interested to perform the experiment in quiescence or in active state. It also permits to coordinate different instruments for multiple energy band monitoring of the source, normally preferred when it is in a high emission state. <br/><br/>· The periodical behaviour itself is also very interesting. It is presumably related to the orbital motion of the system, and onset of outburst are suspected to occur near the periastron passage. Such behaviour can indicate a very eccentric orbit for the binary system LS I+61°303. The confirmation of such issues can provide clues for physical parameters also for more steady radio emitting REXRBs. as well as for non radio emitting X-ray binaries. <br/><br/>· The observation of the temporal and spectral evolution of a radio flaring event, as well as the source structure at different spatial scales during it, can provide us with useful information of the mass of the particles involved, the energetic evolution of such radiating particles, the velocities acquired by the possible radio emitting bulk and its expansion rates, and the scenario in which the source is embebbed (geometry and strength of the magnetic field, surrounding non relativistic material, etc). <br/><br/>· And finally, the study of these two objects is a continuation of the work per-formed by members of the research group where the author is integrated. They disposed of previous observations of these objects, as well as experience in radio single dish, and array observations and wide knowledge of this REXRBs and the different physical models that could describe them. <br/><br/>This report is structured in 11 chapters, being the bulk of them (with the exception of the present one) distributed in three main differentiated parts. Each part is a compilation of the work performed to study the next different aspects of REXRBs and in particular of our selected objects: <br/><br/>Part I - Highly energetic processes in REXRBs emission: In Chapter 2 we develop a theoretical model of the radio and X-ray emission arisen from a plasmon of relativistic particles within a REXRB scenario. In Chapter 3 we apply this model to observations of LS I+61°303 and Cygnus X-3. <br/><br/>Part II - Radio images: We analyze sub-arsecond, arcsecond and arcminute images we have performed from different observation campaigns of LS I+61°303 and Cygnus X-3. They are described in Chapters 4, 5 and 6. <br/><br/>Part III - Search for periodic behaviour in the radio and X-ray light curves: <br/>After a brief description of statistical methods to look for a periodic signal from a data set, in Chapter 7 we apply them to analyze the long and short time scales of the variable behaviour of the target sources. Chapter 8 is devoted to look for the instabilities in the ~ 26.5 days radio period of LS I+61°303, and Chapter 9 to analyze its 'micro-flares' repetitive behaviour at certain phases. Chapter 10 is as well devoted to periodicities of LS I+61°303, but in this case in the X-ray domain, and, finally, Chapter 11 analyzes the hour scale fluctuations observed in Cygnus X-3.

<i>TÍTOL DE LA TESI:<br/><br/>"Les estrelles binàries de raigs X amb emissió ràdio LS I+61°303 i Cygnus X-3" <br/><br/>TEXT: <br/><br/>Les binàries o estrelles dobles físiques són sistemes formats per dues estrelles lligades gravitatòriament. Avui en dia sabem que aquest és un fenomen molt comú a la Galàxia, on aproximadament la meitat de les estrelles s'han format donant lloc a aquesta mena de sistemes. Històricament, el seu estudi ha proporcionat molta informació sobre la física estel·lar. Per exemple, fins no fa gaire els sistemes binaris eren la millor eina disponible per a la mesura directa de la massa dels estels. Ha estat també gràcies a observacions de sistemes binaris contenint púlsars que s'ha obtingut la verficació de previsions de la teoria de la Relativitat General. <br/><br/>Durant gran part de la seva vida, les components d'un sistema binari orbiten a distancias comparativament més grans que les dimensions del volum on domina la influència gravitatòria de cadascuna de les components (lòbul de Roche). Durant aquest temps, les estrelles del sistema evolucionen de la mateixa manera que ho farien si es trobessin aïllades. No obstant, les diferents etapes de l'evolució estel·lar per les que, inexorablement, cadascuna de les components haurà de passar segons la seva massa, poden fer que els paràmetres físics del sistema (massa, radi, semieix de l'òrbita, vent estel·lar, etc.) varîin apreciablement. A conseqüència d'aquests canvis, es poden produir situacions en què el radi d'una de les components es faci comparable, o fins i tot l'excedeixi, al tamany característic del seu lòbul de Roche. A partir d'aquí, és possible que s'estableixi una tranferència de massa entre les components del sistema. Altrament, aquesta transferència també poder ésser deguda al vent estel·lar. La captura o acreció d'una fracció d'aquesta massa, perduda pel-la component "donant", per part de la seva companya pot donar lloc a fenòmens capaços de modificar apreciablement les propietats globals del sistema, a l'hora que també pot generar un ampli ventall de fenòmens observacionals que es manifesten en gairebé tot l'espectre electromagnètic. <br/><br/>És molt variada la "fauna" de sistemes binaris interactuants segons sigui el mecanisme concret de transferència de massa i el tipus d'estrelles components. En aquest treball ens ocupem en particular de les anomenades binàries de raigs X, de les quals s'en coneixen actualment més d'un centenar. Entre elles, però, centrem la nostra atenció en les que, a més, han estat detectades en ones de ràdio, a les quals ens referirem simplement per brevetat com a ràdio binàries X. Aquesta subclasse de les binàries de raigs X, amb emissió ràdio associada, és certament força heterogènia i fins avui s'en coneixen de l'ordre de 20 casos. A títol d'exemple, aquests inclouen sistemes com Cygnus X-l, el primer canditat a forat negre, LS I+61°303 i Circinus X-l, les dues úniques ràdiofonts del cel clarament periòdiques a part dels pulsáis, i Cygnus X-3, famosa per les seves erupcions ràdio on la lluminositat augmenta fins a tres ordres de magnitud en poc més d'un dia. L'interés astrofísic d'aquestes ràdio binàries X es podia entendre, fins no fa gaire, només en que molts dels processos físics que hi tenen lloc són versions a escala reduïda del que succeix en algunes galàxies actives i quàsars. Això ja és de per sí remarcable doncs, donat que totes elles són objectes pertanyents a la nostra Galàxia i per tant relativament propers, les tècniques observacionals de la Interferometria de Base Molt Llarga ( Very Long Base-line Interferometry o VLBI) ens permeten assolir-hi unes ressolucions espaials (~ 1 AU) impensables en una font extragalàctica. D'altra banda, les escales temporals d'emissió en ràdio binàries són relativament curtes (mesos o dies) i, en ocasions, fins i tot periòdiques d'acord amb el període orbital del sistema. Això facilita enormement preveure les èpoques d'observació en que hom espera més activitat. <br/><br/>D'altra banda, aquest tipus d'objectes s'han beneficiat considerablement dels darrers avenços en les tècniques observacionals, tant des de terra com des de l'espai, que actualment fan possible realitzar observacions astronòmiques en tots els dominis de l'espectre electromagnètic. Això és particularment interessant quan s'aplica a astres que siguin détectables a la vegada en més d'un aquests dominis, com és el cas de les ràdio binàries X. Aleshores, les observacions multi-espectrals representen una eina molt important per a contrastar l'elaboració de models teòrics capaços de reproduir, de manera unificada, el comportament observat a longituds d'ona molt diferents (ràdio, infrarroig, òptic, ultraviolat, raigs X i raigs Gamma). <br/><br/>Més recentment, però, s'hi ha afegit un nou punt d'interés després del descobri-ment de diverses fonts de raigs X durs (> 40 keV) en la direcció del centre galàctic. Aquests nous objectes presenten una contrapartida ràdio constituïda per una font central compacta i variable de la qual emana un jet bipolar. La interpretació més probable és que es tracta de ràdio binàries X on la component compacta és un forat negre amb un disc d'acreció, perpendicularment al qual s'ejecta plasma altament relativista en forma de jet col.limat. Una d'elles, GRS1915+105, ha resultat ser la primera ràdiofont coneguda de la Galàxia que ejecta matèria a velocitats aparent-ment superlumíniques. <br/><br/>En general, les binàries de raigs X són sistemes formats per un estel normal i un objecte compacte i col·lapsat. Aquest darrer és habitualment un estel de neutrons però, en ocasions, pot tractar-se d'un forat negre. El nom de binàries de raigs X es justifica pels processos d'acreció de matèria sobre l'objecte compacte, els quals originen intenses emissions en aquest domini espectral. Segons la massa de l'estel normal, que actua com a donant de matèria, les binàries de raigs X es classifiquen a grans trets en d'alta massa o de baixa massa, sense que es coneguin exemples intermitjos. La component normal de les binàries massives pertany típicament a tipus espectrals primerencs mentre que, en les poc massives, aquesta és de tipus espectral més tardà. <br/><br/>Suposem que la component compacta del sistema binari acreta matèria a un cert ritme Macc- Aleshores, la lluminositat del sistema Lacc es pot estimar suposant que tota l'energia cinètica del material acretat s'allibera en forma de radiació. </I>