X-ray studies of accreting black hole X-ray binaries

Abstract

L’astrofísica busca entendre els mecanismes que governen els objectes celestes i les seves interaccions a través de l’univers. Els binaris de forats negres amb emissions de raigs X (BHXRBs) proporcionen un laboratori excepcional per estudiar la física d’acreció, els jets relativistes i els efectes de la gravetat extrema. Aquesta tesi se centra en l’evolució dels BHXRBs en la banda de raigs X, analitzant les seves propietats espectrals i temporals a través de diferents estats d’acreció, incloent-hi l’estat dur (HS), l’estat tou-intermedi/estat tou (SIMS/SS), i les mesures de rotació mitjançant el modelatge de l’emissió tèrmica del disc (“ajustament d’emissió del continu”). Una anàlisi auto-consistent ha revelat que la connexió entre el disc i la corona juga un paper crucial en la forma de l’emissió observada en raigs X. Utilitzant dades de múltiples observatoris de raigs X, aquest treball explora l’evolució del disc d’acreció i la geometria de la corona mitjançant tècniques avançades de modelatge espectral. Un descobriment clau és que en l’estat dur, contràriament a la creença comuna de que el disc d’acreció estaria altament truncat, el disc intern no està necessàriament truncat i podria ser no truncat o lleugerament truncat, amb una fracció de reflexió dels raigs X propera a la unitat com s’esperava. Això suggereix una interacció disc-corona més complexa del que s’havia assumit prèviament. La transició a l’estat tou-intermedi i a l’estat tou (SIMS/SS) es marca per l’emergència d’un disc d’acreció autoenfosquit, on una disminució sobtada de la temperatura aparent del disc intern va acompanyada d’un augment del radi del disc inferit. Aquest efecte, derivat del modelatge espectral, depèn fortament de la inclinació del sistema, suggerint que l’enfosquiment geomètric juga un paper significatiu en el sorgiment de les propietats observades del disc. Cal destacar que aquest fenomen sembla ser una característica recurrent en els grans esclats de BHXRBs altament inclinats, indicant un mecanisme físic comú en joc durant el SIMS. A més, aquesta tesi presenta una mesura de la rotació d’un BHXRB en l’estat dur-intermedi (HIMS) mitjançant el mètode d’ajustament de l’emissió del continu. Els resultats indiquen un forat negre amb baix gir, descartant efectivament un alt gir en incorporar noves restriccions dinàmiques. La discrepància observada entre les estimacions d’inclinació mitjançant l’ajustament de l’emissió del continu i les obtingudes a través del modelatge de reflexió relativista suggereix un possible desajustament entre el disc intern d’acreció i l’òrbita binària, la qual cosa podria tenir implicacions significatives per a l’evolució del moment angular del sistema. Aquests resultats proporcionen noves perspectives sobre la física d’acreció dels BHXRBs, desafiant les suposicions tradicionals sobre la truncació del disc, la geometria de la corona i les restriccions de gir. Els resultats tenen implicacions àmplies per entendre els processos d’acreció en entorns de gravetat extrema, amb aplicacions potencials a altres objectes compactes com els estels de neutrons i els nuclis actius de galàxies (AGN).

La astrofísica trata de comprender los mecanismos que rigen los objetos celestes y sus interacciones en el universo. Los agujeros negros binarios de rayos X (BHXRB) constituyen un laboratorio excepcional para estudiar la física de la acreción, los chorros relativistas y los efectos de la gravedad fuerte. Esta tesis se centra en la evolución de los BHXRBs en la banda de rayos X, analizando sus propiedades espectrales y temporales a través de diferentes estados de acreción, incluyendo el estado duro (HS), el estado blando-intermedio/suave (SIMS/SS), y medidas de espín a través del modelado de la emisión térmica del disco ("continuum fitting"). Un análisis autoconsistente reveló que la conexión disco-corona desempeña un papel crucial en la conformación de la emisión de rayos X observada. Utilizando datos de múltiples observatorios de rayos X, este trabajo explora la evolución del disco de acreción y la geometría de la corona mediante técnicas avanzadas de odelación espectral. Un hallazgo clave es que en el HS, contrariamente a la creencia común de que el disco de acreción está muy truncado, el disco interior no está necesariamente truncado y podría no estar truncado o estarlo ligeramente, y la fracción de reflexión es cercana a la unidad, como era de esperar. Esto sugiere una interacción corona-disco más compleja de lo que se suponía hasta ahora. La transición a los estados blando-intermedio y blando (SIMS/SS) está marcada por la aparición de un disco de acreción autoobscurecido, en el que una disminución repentina de la temperatura aparente del disco interior va acompañada de un aumento del radio inferido del disco. Este efecto, derivado del modelado espectral, depende en gran medida de la inclinación del sistema, lo que sugiere que el oscurecimiento geométrico desempeña un papel significativo en la configuración de las propiedades observadas del disco. En particular, este fenómeno parece ser una característica recurrente en los principales brotes de BHXRBs muy inclinados, lo que indica un mecanismo físico común en juego durante el SIMS. Además, esta tesis presenta una medición del espín de un BHXRB en el estado intermedio-duro (HIMS) utilizando el método de ajuste al continuo. Los resultados indican que se trata de un agujero negro de bajo espín, descartando de hecho el espín alto al incorporar nuevas restricciones dinámicas. La discrepancia observada entre las estimaciones de inclinación a partir del ajuste del continuo y las obtenidas mediante modelización relativista de la reflexión sugiere un posible desalineamiento entre el disco de acreción interno y la órbita binaria, que puede tener implicaciones significativas para la evolución del momento angular del sistema. Estos hallazgos proporcionan nuevos conocimientos sobre la física de la acreción de los BHXRB, desafiando los supuestos tradicionales sobre el truncamiento del disco, la geometría de la corona y las restricciones de espín. Los resultados tienen amplias implicaciones para la comprensión de los procesos de acreción en entornos de fuerte gravedad, con posibles aplicaciones a otros objetos compactos como las estrellas de neutrones y los núcleos galácticos activos (AGN).

Astrophysics seeks to understand the mechanisms governing celestial objects and their interactions across the universe. Black hole X-ray binaries (BHXRBs) provide an exceptional laboratory for studying accretion physics, relativistic jets, and strong gravity effects. This thesis focuses on the evolution of BHXRBs in the X-ray band, analyzing their spectral and timing properties across different accretion states, including the hard state (HS), the soft-intermediate/soft state (SIMS/SS), and spin measurements via modeling the thermal emission of the disk (“continuum fitting”). A self-consistent analysis revealed that the disk-corona connection plays a crucial role in shaping the observed X-ray emission. Using data from multiple X-ray observatories, this work explores the evolution of the accretion disk and the corona geometry through advanced spectral odeling techniques. A key finding is that in the HS, contrary to the commonly held belief that the accretion disk is highly truncated, the inner disk is not necessarily truncated and could be non-truncated or slightly truncated, and the reflection fraction is close to unity as expected. This suggests a more complex corona-disk interaction than previously assumed. The transition to the soft-intermediate and soft states (SIMS/SS) is marked by the emergence of a self-obscured accretion disk, where a sudden decrease in the apparent inner disk temperature is accompanied by an increase in the inferred disk radius. This effect, derived from spectral modeling, is strongly dependent on the system’s inclination, suggesting that geometric obscuration plays a significant role in shaping the observed disk properties. Notably, this phenomenon appears to be a recurrent feature in major outbursts of highly inclined BHXRBs, indicating a common physical mechanism at play during the SIMS. Furthermore, this thesis presents a spin measurement of a BHXRB in the hard-intermediate state (HIMS) using the continuum-fitting method. The results indicate a low-spin black hole, effectively ruling out high spin when incorporating new dynamical constraints. The observed discrepancy between inclination estimates from continuum fitting and those obtained via relativistic reflection modeling suggests a potential misalignment between the inner accretion disk and the binary orbit, which may have significant implications for the angular momentum evolution of the system. These findings provide new insights into the accretion physics of BHXRBs, challenging traditional assumptions about disk truncation, corona geometry, and spin constraints. The results have broad implications for understanding accretion processes in strong gravity environments, with potential applications to other compact objects such as neutron stars and active galactic nuclei (AGN).