Physical processes behind the periodic radio and gamma-ray emission from the X-ray binary LS I +61°303

Abstract

X-ray binaries are binary stars composed of a normal star and a compact object which, via Roche-lobe overflow or wind accretion, accretes matter from the companion. X-ray emission from these objects can be either thermal emission from an accretion disk formed around the compact object, or the result of inverse Compton scattering. Emission in the radio regime is synchrotron emission from relativistic electrons gyrating in the magnetic fields of a jet. Some X-ray binaries are also emitters of -ray emission, the physical processes behind the nonthermal emission of these objects are still poorly understood. Subject of this thesis is the investigation on physical processes behind the emission from one particular -ray-loud X-ray binary, LS I +61°303. This source is composed of a Be type star and a compact object of still unknown nature, i.e., either a neutron star or a black hole. Accretion onto the compact object along the eccentric orbit of this source is predicted to peak twice per orbit, giving rise to emission all over the electromagnetic spectrum modulated by the orbital period P₁ ≈ 26:5 days. Analysis of the astrometry of VLBI images of the source resulted in a precession period of a jet of 27–28 days, expected to give rise to periodic variable Doppler boosting. Timing analysis of archived radio data revealed that a compatible period of P₂ ≈ 26:9 days modulates the radio lightcurve in addition to P₁, giving rise to a beating with a long-term period of ∼ 4:5 years, in agreement with previous findings. The methods employed for this thesis are timing analysis of radio and GeV lightcurves, and the modelling of physical processes which can lead to radio and GeV emission from LS I +61°303. The first result of this thesis is how the knowledge about the beating between the periodic ejection of particles and the jet precession can be used for a straightforward prediction of the radio outbursts observable by radio telescopes. The GeV light curve has previously been reported to peak around periastron only. The second result presented here is the discovery of a periodic apastron GeV peak, also explaining a previously reported disappearance of the orbital period from the power spectrum of the GeV light curve during some epochs. We further find that, while the apastron GeV peak is modulated by P₁ and P₂, the periastron GeV peak is only modulated by P₁. This timing characteristic is explained by a physical model of a self-absorbed, adiabatically expanding jet, refilled with a population of relativistic electrons twice along the orbit, the bulk velocity of the jet being slower at periastron than at apastron, giving rise to smaller variable Doppler boosting at periastron, and consequently, P₂ is not present in the power spectrum during these orbital phases. In addition, the absence of a periastron radio peak is explained by catastrophic inverse Compton losses of the electrons at periastron, leading to a jet too short for radio emission. We further report on the detection of radio emission of the first proven case of a binary star composed of a Be type star and a black hole, MWC 656, a source which has also been detected in the GeV regime and therefore bears resemblance to LS I +61°303. The source LS I +61°303 does not only feature variability in the order of months to years, but there is also evidence for short-term variability over time scales of days and shorter. We observed LS I +61°303 with the 100-m telescope in Effelsberg, quasi-simultanously at three radio frequencies with unprecedented sampling rate for a multiwavelength observation of this source. We present our results on possible periodic behavior on time-scales of hours, which can possibily contribute to future investigations on transient phenomena related to the jet. In conlcusion, we show that an accretion scenario for LS I +61°303, including a precessing relativistic jet, can explain the periodic emission from this X-ray binary and may help to understand the physical processes in related sources.

Röntgendoppelsterne bestehen aus aus einem normalen Stern und einem kompakten Objekt, das, durch Überschreitung der Roche-Grenzen oder durch Akkretion des Sternenwindes, Masse vom Begleitstern akkretiert. Röntgenstrahlung ensteht in diesen Objekten entweder als thermische Strahlung von der Akkretionsscheibe oder als Folge des inversen Compton-Effekts. Strahlung im Radiobereich ist Synchrotronstrahlung, emittiert von relativistischen Elektronen, die in den Magnetfeldern des Jets auf Kreisbahnen gelenkt werden. Einige Röntgendoppelsterne sind darüber hinaus Quellen von Gammastrahlung, wobei die physikalischen Prozesse, die für die Strahlung von diesen Objekten verantwortlich sind, noch immer nicht gut verstanden sind. Gegenstand dieser Doktorarbeit ist die Erforschung der physikalischen Prozessen, die die elektromagnetischen Emission eines bestimmten gamma-emittierenden Röntgendoppelsterns, LS I +61°303, erklären können. Diese Quelle besteht aus einem Be-Stern und einem kompakten Objekt, von dem noch unbekannt ist, ob es sich um einen Neutronenstern oder ein schwarzes Loch handelt. Aufgrund der hohen Exzentrizität des Orbits wird vorhergesagt, dass Akkretion von Materie auf das kompakte Objekt zwei Maxima per Orbit ausbildet, und es, als Konsequenz davon, zu einer Modulation mit der orbitalen Periode P₁ ≈ 26:5 Tage der resultierenden Strahlung über den gesamten Bereich des elektromagnetischen Spektrums kommt. Eine Analyse der Astrometrie von VLBI-Bildern der Quelle hatte eine Präzessionsperiode des Jets von 27–28 Tagen zum Ergebnis, was erwartungsgemäß zu variablem Doppler-Boosting führen sollte. Durch Zeitreihenanalyse von archivierten Radiodaten stellte sich heraus, dass eine mit diesem Ergebnis zu vereinbarende Periode von P₂ ≈ 26:9 Tagen die Radiolichtkurze zusätzlich zu P₁ moduliert, was eine Schwebung mit einer Periode von ca. 4.5 Jahren zur Folge hat, und was in Übereinstimmung mit vorhergehenden Beobachtungen ist. Die in dieser Arbeit zum Einsatz kommenden Methoden beinhalten Zeitreihenanalyse von Radiound GeV-Lichtkurven sowie die Modellierung von physikalischen Prozessen, die zur Emission im Radio- und GeV-Bereich im Doppelsternsystem LS I +61°303 führen können. Als erstes Ergebnis dieser Arbeit wird gezeigt, wie das Wissen über die Schwebung zwischen der periodischen Beschleunigung von Teilchen und der Präzession des Jets für eine unkomplizierte Vorhersage der Radiostrahlungsmaxima für die Beobachtung mit Radioteleskopen genutzt werden kann. Bisher wurde berichtet, dass die GeV-Lichtkurve Strahlungsmaxima ausschließlich bei Periastron aufweist. Das zweite hier vorgestellte Ergebnis ist die Entdeckung eines periodischen GeV-Strahlungsmaximum während des Apastron, ein Ergebnis, das auch ein zeitweises Verschwinden der orbitalen Periode aus dem Periodenspektrum der GeV-Lichtkurve erklärt. Gleichzeitig finden wir heraus, dass, während das Apastron-GeVMaximum von P₁ und P₂ moduliert wird, das Periastron-Maximum nur einer Modulation mit P₁ unterliegt. Dieses Verhalten wird, als ein weiteres Ergebnis dieser Arbeit, erklärt durch ein physikalisches Modell eines selbstabsorbierenden, adiabatisch expandierenden Jet, der periodisch, zweimal pro Orbit mit einer Population von relativistischen Elektronen befüllt wird, wobei die Geschwindigkeit entlang des Jets bei Periastron langsamer ist als bei Apastron, was bei Periastron geringeres Doppler-Boosting als bei Apastron zur Folge hat, und infolgedessen P₂ im Periodenspektrum bei Periastron nicht auftaucht. Darüber hinaus wird die Abwesenheit eines Periastron-Radiomaximums erklärt durch katastrophale Energieverluste der Elektronen durch den inversen Compton-Effekt beim Periastron, was in einem Jet, der zu kurz für Radioemission ist, resultiert. Ein weiteres Ergebnis dieser Arbeit ist die Detektion von Radiostrahlung vom ersten nachgewiesenen Fall eines Doppelsterns bestehend aus einem Be-Stern und einem schwarzen Loch, MWC 656, eine Quelle, die auch im GeV-Bereich detektiert wurde und daher starke Ähnlichkeit mit LS I +61°303 aufweist. LS I +61°303 ist nicht nur variabel auf Zeitskalen von Monaten oder Jahren, sondern es gibt auch Hinweise auf Kurzzeitvariabilität auf Zeitskalen von Tagen oder kürzer.Wir haben LS I +61°303 mit dem 100-m- Teleskop in Effelsberg beobachtet, quasisimultan auf drei Frequenzen mit der bisher höchsten Abtastrate, die bei einer gleichzeitigen Beobachtung dieser Quelle mit mehrerenWellenlängen erreicht wurde. Hier werden Ergebnisse bezüglich möglichen Periodizitäten auf Zeitskalen von Stunden vorgestellt, was möglicherweise als Grundlage für die Erforschung von kurzzeitigen Phänomen im Jet dienen kann. Zusammenfassend wird gezeigt, dass ein Akkretionsszenario für LS I +61°303 in Zusammenhang mit einem präzedierenden Jet die periodische Emission dieses Röntgendoppelsterns erklären kann und zum Verständnis der physikalischen Prozesse in verwandten Objekten beitragen kann.