Investigating the emission properties and the geometry of black hole X-ray binaries in the outburst cycle
Karadelik X-ışın çiflerinin ışıma özellikleri ve geometrisinin patlama döngüsünde incelenmesi
- Tez No: 467178
- Danışmanlar: PROF. DR. KAZIM YAVUZ EKŞİ
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Fizik ve Fizik Mühendisliği, Physics and Physics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2017
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Fizik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 229
Özet
Yıldızlar başlangıç kütlelerine bağlı olarak milyonlarca yıldan milyarlarca yıla kadar yaşayabilmektedirler. Bu kütle aynı zamanda, yıldızın çekirdeğindeki yakıt bittiğinde evrimsel süreçte yer alan bir sonraki adımı tanımlar. 20 Güneş kütlesinden daha büyük yıldızların çekirdeği bir karadeliğe çöker. Bu cisim herhangi bir ışınım üretmez ancak eğer bir çift yıldız sisteminde ise, kütleçekimi sebebiyle bileşen yıldız karadeliğin üzerine aktarım yapabilir. Aktarılan maddenin sahip olduğu açısal momentum maddenin direkt olarak karadeliğe düşmesini engeller ve karadeliğin etrafında bir disk oluşur. Aktarım diskinden gelen ışınım teleskop ve detektörler tarafından gözlenebilir. Diskten yayılan 1-3 keV civarındaki fotonlar, Compton mekanizması ile plazmadaki rölativistik elektronlar ile çarpışarak sert X-ışınları dediğimiz 200 keV'e kadar çıkabilen enerjilere ulaşırlar. Buna ek olarak diskteki madde, karadeliğe yakın bir bölgede, ergosferden kaynaklandığı düşünülen manyetik alan vasıtası ile fırlatılır. Bu atılan madde radyo ve yakın kızılötesi bölgesinde jetler olarak gözlemlenir. Bu olgu histeresis benzeri bir döngüde kendini tekrarla eğilimine sahiptir. Bu aynı zamanda patlama döngüsü olarak da adlandırılır ve sertlik-parlaklık diyagramında bu döngünün farklı fazları gösterilir. Karadelik X-ışın çiftlerinin uzun dönem gözlemleri, kaynakların tayfsal ve zamansal özelliklerindeki büyük değişimlerin baskın geldiği bir sınıflama meydana getirmektedir. Bu sınıflamaya göre, karadelik X-ışın çiftleri zamanlarının çoğunu sakin evre olarak adlandırılan düşük bir akı seviyesinde geçirmektedir. Patlamayı takip eden ilk zamanda, sistem sert evreye geçiş yapar yani spektrumu sertleşir ve zamansal değişimler artar. Ayrıca kompakt jetler de bu evrede gözlenir. Madde radyal olarak içeri hareket etmesi arttıkça ışıma gücü artar ve zamansal dalgalanma azalır. Bu evre yumuşak evre olarak adlandırılır ve disk rüzgârları da bu evrede görülür. Patlama döneminin sonlarında, madde aktarım oranı disk buharlaşma oranının altına düşer ve kaynak yavaşça sakin evreye geri döner. Bu dönemlere ek olarak kendine özgü gözlemsel izler taşıyan ara geçiş evreleri de bulunmaktadır. Maalesef, patlama döngüsünün farklı evrelerinde karadelik X-ışın çiftelerinin tüm davranışlarını açıklayan evrensel bir teorik model bulunmamaktadır. Bazı modeller genel görelilik etkilerini hesaba katarken, diğer modeller dönem geçişlerini açıklamak için madde aktarım miktarı ile disk-korona arasındaki dinamo süreçlerini kullanmışlardır. Bu modellerin doğru biçimde yorumlanıp gözlemsel veriler ile sınanması, geçiş dönemlerinde görülen olguları anlamak açısından önem taşımaktadır. Örneğin, jetler sert ve orta-sert evrelerde birkaç saatten birkaç aya kadar süren zaman ölçeğinde gözlenen olaylardır. Bu olgunun arkasında yatan mekanizma hâlâ tartışma konusu olmasına rağmen, çoklu-dalgaboyu gözlemleri, disk ve jet ışıması arasında güçlü bir ilişki vermektedir. X-ışını ve radyo dalga boyu arasındaki bu doğrusal olmayan ilişkinin başlangıçta tek ve basit olduğu düşünülürdü. Ancak kaynak sayısının artmasıyla,“aykırı”kaynak olarak adlandırılan birçok karadeliğin daha dikey bir yol izlediği görüldü. Bu tuhaf davranışı açıklamak üzere birkaç model ortaya atılmıştır. Bunların arasında öne çıkan hipotezlerden birisi, patlama döneminin sonunda, korona ve karadelik arasında daha soğuk ve zayıf bir iç diskin yeniden oluştuğu ve gözlenen fazladan X-ışın akısı veren, yoğuşma diski modelidir. Bu modele göre, sert dönemin ortalarında, Ṁ azaldıkça disk artık yeniden yoğunlaşamaz ve dağılır. Belirli bir akı değerinin altına düştükten sonra ana kola katılan aykırı kaynakların bu süreçten geçtiği düşünülmektedir. Bu hipotez, iç diskin oluşabilmesi için koronanın geri çekilmesini gerektirdiğinden sistemin geometrisi anlaşılarak test edilebilir. Bu bağlamda tezin ilk bölümünde hem normal hem de aykırı kaynakların güç spekturumu PROPFLUC adlı program ile modellenerek bu hipotezin test edilmesi hedeflenmiştir. Presesyon yapan koronada ilerleyen çalkantılar fikrinin uygulandığı bu modelde zamansal analiz ile koronanın iç ve dış yarıçapının belirlenmektedir. Bu da disk ve koronanın parlama ve sönüm dönemlerinde nasıl davrandıklarına karşı bize fikir verebilmektedir. Bu presesyonun, dönme ekseni ile disk ekseni arasında belirli bir açı bulunan kaynaklarda görelilik etkileri sebebiyle gerçekleştiği düşünülmektedir. Yukarıda da belirtildiği üzere sönüm dönemi boyunca koronanın iç yarıçapı büyüyerek evriliyorsa bir iç disk oluştuğuna delâlet eder. Tez kapsamında, 1998-2011 yılları arasında çeşitli patlamalar göstermiş 4 kaynak, sert ve orta-sert dönemlerinde incelenmiştir. Rossi X-ray Timing Explorer (RXTE) uydusundan elde edilen ham veriler, NASA-HEASARC'nin prosedürlerine uygun biçimde çeşitli programlar yardımı ile indirgenmiştir. Daha sonra IDL ve XSPEC programları ile analiz edilen bu gözlemlerin sonuçları yorumlanmıştır. Elde edilen ilk bulgular, aykırı kaynakların geometrilerinde ciddi bir farklılık olmadığına işaret etse de, çoklu Lorentzyen modeli ile elde edilen karekök ortalama (etkin değer) genliği (root-mean-square amplitude, rms), bu kaynaklarda eğilimin aniden değiştiğini göstermektedir. Literatürde, geçiş dönemlerini gözlemsel olarak sınıflandıran 2 ayrı model mevcuttur. Bunlardan ilki, Belloni ve diğ. 2010 makalesinde belirtildiği üzere hem tayfsal hem de zamansal değişimleri birlikte göz önüne alarak yapılan sınıflandırmadır. Bir diğer sınıflandırma da Kalemci ve diğ. 2013 makalesinde gösterildiği üzere yukarıda belirtilen özelliklere ek olarak çoklu dalgaboyu gözlemleri kullanılarak yapılmıştır. Patlama çevriminde sert dönemden yumuşak döneme geçiş, yumuşak dönemden sert döneme geçişe oranla daha yüksek parlaklık seviyelerinde gerçekleşmektedir. Bu ve benzeri farklılıkların nedenlerini araştırmak amacıyla tezin ikinci bölümü karadeliklerin tayfsal ve zamansal analizleri yapılarak yukarda belirtilen sınıflandırma modellerine göre parlaklık dağılımının elde edilip incelenmesi hedeflenmiştir. Geçiş dönemlerinde etkili olan parametrelerin bulunmasının, histeresis etkisinin anlaşılması açısından önemli yer taşıdığı düşünülmektedir. Bu bağlamda, 12 karadelik kaynağı 20 farklı patlama dönemlerinde incelenip yukarıda belirtilen programlar yardımı ile analiz edilmiştir. Tayfsal analizde tbabs*smedge*(powerlaw+diskbb) modeli esas alınmıştır. Buna ek olarak yaklaşık 6.4 keV civarında gözüken demir soğurma çizgisi için Gauss ve yüksek enerjide güç kanunu tayfındaki kırılmayı daha iyi modelleyebilen yüksek enerjide kesilim (high energy cutoff) modelleri de çeşitli TCL kodları yazılarak kontrol edilmiştir. F-testi ile sınanan ek modeller arasında şans eseri gerçekleşme olasılığı %0.5 den daha düşük olan durumlar analiz için kullanılmıştır. Zamansal analizde ise çoklu Lorentzyen modeli kullanılmıştır. Bu modelde periyodiğimsi salınımlar (Quasi-periodic oscillation\QPO) ve geniş frekans aralığına yayılmış gürültü sırası ile dar ve geniş Lorentzyenlere karşılık gelmektedir. Elde edilen ilk sonuçlara göre, sert döneme geçiş sırasında Eddington aydınlatma gücü nün %3 u civarında güç kanunu akısında, bir kümeleşme olduğu gözlemlenmiştir. Benzer şekilde sert orta dönem ve yumuşak orta dönem e geçişlerdede disk ve güç kanunu akılarında çeşitli kümeleşmeler olduğu saptanmıştır.
Özet (Çeviri)
Depending on their initial mass, stars can live from millions up to billions of years. This mass also determines the next step in their stellar evolution when they ran out of their fuel. The cores of stars with a mass greater than 20 M collapse into a black hole (BH). This object does not produce any radiation by itself, however, if it is in a binary system, the companion star may supply matter that accretes onto the BH. The angular momentum of the accreted material prevents a direct fall and matter forms a disk around the BH. The radiation from this accretion disk is observable. Under certain circumstances, a portion of this disk thought to evaporate by the effect of heat conduction and turns into a radiatively inefficient hot-flow. The relativistic electrons in the flow Compton-up scatter the disk photons and produce hard X-rays. The material in the disk may also be ejected away on some region close the BH with the help of strong magnetic field which produces the jets observed in radio and near-infrared wavelengths. These phenomena have a tendency to repeat themselves in a hysteresis-like loop. Constant monitoring of BH X-ray binaries provided a classification based on the abrupt changes in spectral and temporal properties of the sources. According to this classification, BHXBs spend most of their time in a low flux state known as quiescence. At the very beginning of the outburst, the system goes into a hard state in which the spectrum is dominated by high energy photons and variability increases. The compact jets are also observed in this state. As the material starts to move radially inward, the luminosity increases and variability drops. This state is known as the soft state. A disk wind may be observed in this state for high inclination sources. At the end of the outburst where mass accretion rate ( Ṁ) is sufficiently low, evaporation may remove majority of the disk which cause the source returns back into its initial state. There are also intermediate states which show properties of both hard and soft states with unique features. Unfortunately, there is no universal model that explains all the dynamic properties of BHXBs in different spectral states. Some models take into account GR effects and others include dynamo process as well as change in accretion rate. Interpretation of these models allows us to understand the motivation behind the observed phenomena. For instance, jets are events which usually are observed in hard and hard-intermediate states in a timescale of hours to months. Although the mechanism behind this phenomena is still debated multi-wavelength observations put forward a strong correlation between radio and X-ray luminosity indicating a disk-jet coupling. This nonlinear relation between inner flow and outflow (X-ray-radio luminosity) is thought to be simple and unique at first. Yet, along with the increase in the amount of data, it became clear that numerous BH systems are“outliers”follow a steeper path in radio X-ray correlation. Several models have been proposed to explain this strange behavior. One of the most promising hypothesis is the condensation disk model where it is assumed that a cooler weak disk is reformed at the end of the outburst which provides the additional X-ray flux. As Ṁ decreases the disk can no longer re-condense and disperse. The outliers which joins the main track below a certain flux value are considered to experience such a process. This hypothesis can be tested by determining the geometry of the system since the corona (hot-flow) must retrieve at some point in order to allow the inner disk to reform. The first part of this thesis is devoted to testing this hypothesis by modeling the power spectrum of both regular and outlier sources with a new developed model PROPFLUC. This is a physical model based on the mass accretion rate fluctuations in the precessing corona. Temporal analyses of sources with such a model allowed us to extract the inner and outer radius of the corona. By observing the evolution of these parameters we aim to understand how disk and corona behave relative to each other during outburst decay and rise. In this part, data from 4 different BH transients (GX339-4, 4U1543-47, GRO J1655-40, XTEJ1550-564) have been analyzed in hard and hard-intermediate states for multiple outbursts between 2000-2011. Raw data were obtained from the Rossi X-ray Timing Explorer (RXTE) and processed according to the procedure stated in the Guest Observer Facility of NASA-HEASARC. Analyses are generally done in both XSPEC and IDL programs and additional bash and TCL scripts were used to automate the processes. In the outburst cycle, the transition from hard to soft state occurs at higher luminosity compared to transition from soft to the hard state. The second part of this thesis covers the spectral and timing analyses of BHXBs in outburst decay in order to obtain the luminosity distribution of these sources. By exploring the key parameters of state transition, we aim to investigate the origin of hysteresis in the hardness-intensity diagram as well as investigating the variability of state transition luminosities for multiple sources in the outburst decay. The transition luminosities were found for 2 separate classifications in the literature namely Belloni and Kalemci classifications. The analyses were done for 12 BH transients in 20 outburst decays. The spectral fits were mainly done via tbabs*smedge*(powerlaw+diskbb) model. In addition, Gauss and hecut models also tested in order to include the effect of the iron line (emission around 6.4 keV) and the exponential cut-off in the power-law predicted by thermal Componization models. The timing part was mainly modeled with multi Lorentzians where broad-band noise and QPO corresponds to broad and narrow Lorentzians respectively.
Benzer Tezler
- Oled uygulamaları için ditiyenotiyofen (DTT) temelli floresans moleküllerin hazırlanması ve özelliklerinin incelenmesi
Syntheses and investigation of fluorescence dithienothiophene (DTT) based materials for oled applications
İPEK ÖSKEN
- Karbon dolgulu siklo-olefin kopolimer (COC) kompozitlerin elektriksel ve mekanik özelliklerinin incelenmesi
Investigation of electrical and mechanical properties of cyclo-olefin copolymer (COC) composites reinforced with carbon based fillers
DİNÇER AKIN
Yüksek Lisans
Türkçe
2013
Kimya Mühendisliğiİstanbul ÜniversitesiKimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. ALİ DURMUŞ
- Karbon dolgulu siklo-olefin kopolimer (COC) kompozitlerin reolojik davranışlarının incelenmesi
Investigation on rheological behavior of cyclo-olefin copolymer (COC) composites filled with carbon based fillers
ALPER KAŞGÖZ
Yüksek Lisans
Türkçe
2012
Polimer Bilim ve Teknolojisiİstanbul ÜniversitesiKimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. ALİ DURMUŞ
- Biyomagnetik olaylar
Başlık çevirisi yok
M.TOGAN ÇANDIR
Yüksek Lisans
Türkçe
1996
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiPROF.DR. İNCİ AKKAY
- Çimento hammaddelerinde sürekli yüzey kazıcıların uygulanabilirliğinin araştırılması
Investigation of continuous surface miners feasibility for the cement raw materials
İRFAN YONAR
Yüksek Lisans
Türkçe
2003
Maden Mühendisliği ve Madencilikİstanbul Teknik ÜniversitesiMaden Kazı Mekanizasyonu ve Teknolojisi Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. HASAN ERGİN