This work considers the variability of X-ray binaries with black holes as the compact objects, i.e., binaries, where the originally more massive star has reached the final stage of its evolution. Matter can be accreted onto the black hole either through stellar winds of because of the increasing volume of the companion in the late stages of stellar evolution, and lead to high energy emission. The deep gravitational well of the black hole and the high temperatures of the accreted plasma results in a complex interplay of quantum mechanical and general relativistic effects that are further complicated by the presence of magnetic fields and, until today, hardly understood.

Typical combinations of observed spectral and timing characteristics of such objects are called states (mainly soft, hard and intermediate states) and likely correspond to different configurations of accretion and ejection flows, i.e., accretion disk, corona, accretion disk winds and jets. In the presented work we choose an empirical approach to classify the long term changes of different parameters that describe spectral and timing features of the source and to create a basis for comparison with theoretical models. The emphasis is on the differences between the states and on the description of state transitions.

After presenting the state of knowledge and especially the multitude of open questions of black hole binary research, we give and overview over the instrumentation we used (telescopes on board the satellites RXTE, INTEGRAL, Swift and Fermi and on the International Space Station ISS, as well as the Ryle/AMI radio telescope) and an introduction to the analysis techniques, especially the Fourier-bases timing analysis. We follow with an analysis of individual observations of the black hole binaries Cygnus X-1 and H1743-322 that serves as an example for how states and state transitions are classified based on spectral and timing features.

The first step in the investigation of the long term variability is the spectral analysis of Cygnus X-1 over the whole 16 years (1996-2011) of the RXTE lifetime. Known correlations between the parameters of simple models for the spectral shape are confirmed with a much better coverage of different source states than previously. The black hole and the X-ray radiation created in its immediate surroundings serve as a probe for the investigation of the stellar wind of the normal companion of the black hole, the O-type super giant HDE 226868. We show qualitatively that the observed orbital modulation of the wind is consistent with models of a clumpy stellar wind focused towards the black hole.

We continue with a statistical analysis of Cygnus X-1 observations with X-ray all sky monitors that span a total of 17 years, in which the source has shown numerous state transitions and periods of different activity. For this purpose, we develop a classification scheme for low spectral resolution but high cadence observations with all sky monitors that is based of higher resolved but much more infrequent observations with RXTE-PCA and RXTE-HEXTE. This scheme allows us to analyze states and state transition with a time resolution below a day over the whole 17 years and shows that the transitional state ismuch less stable than the hard and soft states. The detailed display of the development of this state classification offers a stepping stone for similar approaches for other sources and source types.

We highlight applications of this classifications as additional resources in high resolution observations in soft X-rays and as a basis for state-resolved polarization analysis in the gamma-rays. Attributing XMM observations to the intermediate state is, for example, crucial for the interpretations of spectroscopic peculiarities of these observations.

The 2 ms high time resolution of RXTE-PCA allows us to take the next step and conduct a timing analysis of over 1900 individual, on average thirty minutes long, observations of Cygnus X-1 that span a total of over 13 years. We can show the presence of clear relationships between the spectral shape of the source and Fourier-based quantities (power spectra, time lags and coherence function), a dependency of the shape of the power spectra on the considered energy band and correlations between structures in the power spectra and in the frequency-dependent time lags and coherence function. These results imply that the dominant short term variability in the different states originates in different parts of the accretion and ejection flows and that none of today’s models, which partly strongly differ in their basic assumptions, e.g., in the source of the X-ray emission in corona or in the jets, can explain all parameters and their interplay.

This work shows the importance of long-term analyses that can answer questions that single observations, even if they are of high quality, fail to answer if the context of the observations is not taken into account. The methods developed in this thesis can be easily transferred to other source, while the presented results for the case of Cyg X-1 put strong constraints on physical models of accretion and ejection flows and emphasize the significance of model-independent approaches, which guard from an overinterpretation of individual observations outside of their long-term context.

Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Variabilität von Röntgendoppelsternen mit einem schwarzen Loch als kompaktem Begleiter, also Doppelsternen, in welchen der ursprünglich massereichere Stern auf der letzten Stufe seiner Entwicklung angelangt ist. Durch Sternwinde oder aufgrund der Vergrößerung des Volumens des Begleitestern in späten Phasen der Sternentwicklung kann es dabei zu Akkretion von Materie auf das schwarze Loch kommen, in deren Folge hochenergetische Strahlung freigesetzt wird. Das tiefe Gravitationspotential des schwarzen Lochs und die hohen Temperaturen des Plasmas, das akkretiert wird, resultieren in einem komplexen Zusammenspiel quantenmechanischer und relativistischer Effekte, das durch die Anwesenheit von Magnetfeldern zusätzlich verkompliziert wird und bis heute nur in Ansätzen verstanden ist.

Typische Kombinationen beobachteter spektraler und Zeitreiheneigenschaften solcher Objekte werden als Zustände (vor allem weicher, harter und Zwischenzustand) bezeichnet und entsprechen wahrscheinlich verschiedenen Anordnungen von Akkretions- und Auswurfströmen, also von Akkretionsscheibe, Korona, Akkretionsscheibenwinden und Jets. In der vorliegenden Arbeit wird ein empirischer Ansatz gewählt, um die Langzeitänderungen verschiedener Parameter zu klassifizieren, die die spektralen und Zeitreiheneigenschaften der Quellen beschreiben, und um so eine Grundlage für den Vergleich mit theoretischen Modellen zu schaffen. Der Schwerpunkt liegt dabei auf den Unterschieden zwischen den Zuständen und auf der Beschreibung der Zustandsübergänge.

Nach einer Darstellung des heutigen Wissensstandes und besonders der Vielzahl der offenen Fragen, werden ein Überblick über die verwendeten Instrumente (verschiedene Teleskope auf den Satelliten RXTE, INTEGRAL, Swift und Fermi und auf der international Weltraumstation ISS, sowie das Ryle/AMI Radio Teleskop) sowie eine Einleitung in die verwendeten Analyseverfahren, vor allem Verfahren der Zeitreihenanalyse im Fourierraum, gegeben. Es folgt die Analyse einzelner Beobachtungen der Röntgendoppelsterne Cygnus X-1 und H1743-322, die als Beispiel dafür dient, wie Zustände und Zustandsübergänge anhand von spektralen und Zeitreiheneigenschaften klassifiziert werden.

Der erste Schritt in der Untersuchung der Langzeitvariabilität ist die spektrale Analyse von Cygnus X-1 über die gesamten 16 Jahre (1996–2011) der Lebenszeit des RXTESatelliten. Bekannten Korrelationen zwischen Bestandteilen einfacher Modelle für die Spektralform werden mit weit besserer Abdeckung verschiedener Quellenzustände als zuvor bestätigt. Bei der Untersuchung des Sternwindes des normalen Begleiters des schwarten Lochs, also des blauen O-Riesen HDE 226868, fungieren das schwarze Loch und die in seiner unmittelbarer Nähe erzeugte Röntgenstrahlung als Sonde für den Wind. Es wird qualitativ gezeigt, dass die beobachtete orbitale Modulation des Windes mit Modellen eines stark geklumpten Windes, das zum schwarzen Loch hin fokussiert ist, in Übereinstimmung ist.

Hierauf schließt sich die statistische Analyse von Beobachtung von Cygnus X-1 mit Himmelsmonitoren im Röntgenbereich, die insgesamt einen Zeitraum von 17 Jahren umfassen, in welchen die Quelle zahlreiche Zustandsübergänge sowie Phasen verschiedener Aktivität gezeigt hat. Dafür wird auf der Grundlage einzelnen höher aufgelöster Beobachtungen mit den RXTE-PCA und RXTE-HEXTE Instrumenten ein Zustandsklassifizierungsschema für niedrig aufgelöste aber sehr häufige Beobachtungen mit Himmelsmonitoren entwickelt. Dieses Schema erlaubt die Analyse von Zuständen und Zustandsübergängen mit einer Zeitauflösung von unter einem Tag über den gesamten 17-jährigen Zeitraum und zeigt, dass der Zwischenzustand viel weniger stabil ist als harte und weiche Zustände. Die detaillierte Darstellung der Entwicklungsschritte der Zustandsklassifikation bietet zudem eine Vorlage für ähnliche Vorgehensweise für andere Quellen und Quellenarten.

Weiter werden Anwendungen dieser Zustandsklassifikation als Hilfsmittel für höchstaufgelösten Beobachtungen im weichen Röntgenbereich und als Grundlage für zustandsaufgelöste Polarisationsanalyse von Gammastrahlung beleuchtet. So ist zum Beispiel die Zuordnung von XMM Beobachtungen dem Zwischenzustand entscheidend für die Interpretation der spektroskopischen Besonderheiten der Beobachtungen.

Die hohe Zeitauflösung der RXTE-PCA Beobachtungen von 2 ms ermöglicht im nächsten Schritt eine Zeitreihenanalyse von über 1900 einzelnen im Schnitt dreissigminütigen Beobachtungen von Cygnus X-1, die insgesamt einen Zeitraum von über 13 Jahren umspannen. Dabei werden klare Zusammenhänge zwischen der spektralen Form der Quelle und den Fouriergrößen (den Periodogrammen sowie den Zeitverzögerungen und der Kohärenzfunktion), eine Abhängigkeit der Form der Periodogramme von dem betrachteten Energieband, sowie Korrelationen zwischen den Strukturen in den Periodogrammen und in den frequenzabhängigen Zeitverzögerungen und der Kohärenzfunktion gezeigt. Die Ergebnisse sind ein klarer Hinweis, dass die maßgebliche Kurzzeitvariabilität in verschiedenen Zuständen ihren Ursprung in verschiedenen Bestandteilen der Akkretions- und Ausstroßströme hat, und dass keines der heutigen theoretischen Modelle, die sich zum Teil stark in der Grundannahmen, z.B. dem Ursprung der Röntgenstrahlung in der Korona oder in Jets, unterscheiden, alle Parameter und ihre Wechselwirkung erklären kann.

Insgesamt zeigt diese Arbeit dieWichtigkeit von systematischen Langzeitanalysen auf, die viele Fragen beantworten können, an denen die Untersuchung einzelner Beobachtungen, auch hoher Qualität, scheitern, wenn der Kontext der Beobachtung nicht berücksichtigt wird. Die hier entwickelten Methoden und Darstellungsformen können leicht auf anderen Quellen übertragen werden, während die vorgestellten Ergebnisse für den Fall von Cygnus X-1 starke Bedingungen an physikalische Modelle für die Akkretions- und Ausstoßströme stellen und die Wichtigkeit einer möglichst modellunabhängigen Herangehensweise betonen, die vor einer Überinterpretation einzelner Beobachtungen außerhalb des Langzeitzusammenhangs schützt.