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Albano, Alessandra (2010) Spectral and timing properties of transient anomalous x-ray pulsars. [Tesi di dottorato]

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Abstract (inglese)

In the last years, thanks to new generation satellites (mostly Chandra and XMM-Newton), an increasing number of high resolution spectral and timing observations of X-ray emitting isolated neutron stars (INS)has become available.
Several new classes of X-ray emitting INSs have been discovered, all of them radio silent or with radio properties much at variance with those of Pulsar Radio (PSRs): X-ray Dim Isolated Neutron Stars (XDINSs), Anomalous X-ray Pulsars (AXPs) and Soft Gamma-ray Repeaters (SGRs), Central Compact Objects (CCOs), Rotating Radio Transient (RRATs, in one case).
AXPs and SGRs represent two peculiar groups of INSs, totalling 15 objects (6 SGRs and 9 AXPs plus one candidate). Although much less noumerous than PSRs, these objects have been extensively studied because of their peculiar and extreme properties.
SGRs exhibit bursts and flares with intensity between $\sim 10^2$ and $\sim 10^{11}$ times their quiescent X-ray luminosity ($10^{34} - 10^{36} \ {\rm erg/s})$. In the last decade transient phenomena have been observed from few AXPs, with luminosity increases between few 10 and few 100 times the X-ray quiescent values. The many similarities in the timing and spectral properties among SGRs and AXPs led to the suggestion that they could be two different manifestations of the same phenomenon.
These objects are believed to host a Magnetar, an ultra-magnetized neutron star with magnetic field $\sim 10^{14}-10^{15}$ G. In the Magnetar model emission from SGRs and AXPs comes to the expanse of the ultra strong magnetic field rather than of the rotational, gravitational or thermal energy. In Magnetars the external magnetic field can acquire a toroidal component as a consequence of the deformation of the star crust induced by the super-strong internal field. As a result the star magnetosphere twists up and the currents required to support the non-potential field may provide a large enough optical depth to resonant cyclotron scattering (RCS).
As a consequence a distortion in the thermal spectra emitting by the star surface is expected, because primary photons gain energy in the repeated scattering with the magnetospheric charges.
Spectra emerging from a twisted magnetosphere in presence of RCS has been investigated by several authors (Lyutikov and Gavriil, 2006, Fernandez and Thompson, 2007, Nobili Turolla and Zane, 2008) and applied to SGRs and AXPs spectra by Rea et al. 2008 and Zane et al., 2008.
The NTZ model 3D montecarlo simulation is the more advanced tool to compute both lightcurves and spectra. Resulting spectra are described in terms of 5 parameters: the twist angle $\Delta \phi$, the
electron bulk velocity $\beta$, the surface temperature $T$ and the two geometrical angles$\xi$ and $\chi$($\xi$ is the misalignement between spin and magnetic axis while $\chi$ is the line of sight inclination with respect to the spin axis).
In this thesis the application of NTZ model to two Transient AXPs XTE J1810-197 and CXOU J164710.2-455216 is discussed. XTE J1810-197 exhibited an outburst in late 2002 - early 2003, increasing its luminosity by two orders of magnitude. After the outburst onset the source has been monitored by XMM-Newton between September 2003 and September 2007, showing a decrease in flux until the pre-outburst value has been reached.
CXOU J164710.2-455216 exhibited an outburst on 21 September 2006, when it was observed at a luminosity 300 times greater than that measured just five days before. The source has been observed by XMM-Newton 6 times after the outburst onset, between September 2006 and August 2009.
In this work, adapted from Albano et al., 2010 paper, a comprehensive study of the pulse profile and spectral evolution of the two TAXPs
following their outbursts onsets is presented. By confronting timing data with synthetic lightcurves obtained from the twisted magnetosphere model (Nobili, Turolla and Zane, 2008), we were able to estimate how the physical parameters of the source (surface temperature and emitting area, electron energy, twist angle) evolve in time.
The fits of the pulse profiles also allowed us to infer the geometry of the two systems, i.e. the angles between the magnetic and rotational axes and the line of sight. Spectral models, obtained with the parameter values derived for the timing analysis, provide acceptable fits to XMM-Newton data.

Abstract (italiano)

Negli ultimi anni, grazie alla nuova generazione di satelliti (in particolare Chandra e XMM-Newton), è divenuto possibile osservare, con alta risoluzione, un crescente numero di stelle di neutroni isolate (INSs) che emettono raggi X.
Molte nuove classi di INSs che emettono raggi X sono state scoperte, nessuna delle quali emette nel radio, o con proprietà nel radio in disaccordo
con quelle delle PSRs: X-ray Dim Isolated Neutron Stars (XDINSs), Anomalous X-ray Pulsars (AXPs) e Soft Gamma-ray Repeaters (SGRs), Central Compact Objects (CCOs), Rotating Radio Transient (RRATs, in un caso).
AXPs e SGRs sono due gruppi di INSs con caratteristiche peculiari, formati in tutto da 15 oggetti (6 SGRs e 9 AXPs più una candidata). Anche se meno numerose delle PSRs, questi oggetti sono stati ampiamente studiati proprio in virtù delle loro proprietà peculiari ed estreme.
Gli SGRs mostrano bursts e flares con intensità tra le $\sim 10^2$ e le $\sim 10^{11}$ volte la loro luminosit\`a quiescente in banda X ($10^{34} - 10^{36} \ {\rm erg/s}$). Nell'ultima decade fenomeni spettrali transienti sono stati osservati in alcune AXPs, con un aumento di luminosità compreso tra alcune decine e alcune centinaia di volte la luminosità di quiescenza. Le molte similarità nelle proprietà spettrali e di timing di SGRs e AXPs portano a suggerire che questi oggetti possano essere nient'altro che differenti manifestazioni dello stesso fenomeno.
Si ritiene che queste sorgenti ospitino una Magnetar, una stella di neutroni ultra magnetizzata con campo magnetico pari a $\sim 10^{14}-10^{15}$ G.
Nel modello Magnetar l'emissione da SGRs e AXPs proviene dall'espansione del campo magnetico ultra intenso piuttosto che ad energie di tipo rotazionale, gravitazionale o termico.
Nelle Magnetars il campo magnetico esterno potrebbe acquisire una componente di tipo toroidale, come conseguenza della deformazione della crosta della stella indotta dall'intensissimo campo magnetico interno. Il risultato netto è un twist della magnetosfera della stella; inoltre le correnti richieste per supportare il campo non potenziale potrebbero dar luogo ad una profondità ottica sufficientemente spessa per il resonant cyclotron
scattering (RCS). Di conseguenza ci si aspetta una distorsione negli spettri termici, dato che i fotoni primari guadagnano energia nei ripetuti urti con le particelle cariche presenti nella magnetosfera.
Gli spettri all'uscita della magnetosfera twistata in presenza di RCS sono
stati studiati da svariati autori (Lyutikov e Gavriil, 2006, Fernandez e Thompson, 2007, Nobili Turolla e Zane, 2008) e questo modello è stato applicato agli spettri di SGRs e AXPs da Rea et al. 2008 and Zane et al., 2008.
Il codice montecarlo 3D creato da Nobili, Turolla e Zane (2008) è lo strumento più avanzato per calcolare curve di luce e spettri. Gli spettri così ottenuti possono essere descritti in termini di 5 parametri: l'angolo di
twist $\Delta \phi$, la velocità di bulk degli elettroni $\beta$, la
temperatura superficiale $T$ e i due angoli geometrici $\chi$ e $\xi$
($\xi$ è il disassamento tra campo magnetico e asse di rotazione mentre
$\chi$ è l'inclinazione della linea di vista rispetto all'asse di rotazione).
In questo lavoro, riadattato dall'articolo Albano et al., 2010, viene presentato un ampio studio dei profili pulsati e dell'evoluzione spettrale delle due TAXPs a partire dall'inizio dell'outburst. Confrontando i dati di timing con le curve di luce sintentiche ottenute con il modello di magnetosfera twistata (Nobili, Turolla e Zane, 2008) siamo stati in grado di stimare l'evoluzione temporale del parametri fisici della sorgente (temperatura superficiale e area emittente, energia degli elettroni, angolo di twist). I fit del profilo pulsato ci permettono anche di asserire la eometria del sistema, e cioè l'angolo fra campo magnetico e asse di rotazione e quello tra asse di rotazione e linea di vista. I modelli spettrali, ottenuti dai valori dei parametri derivati dall'analisi di timing, danno dei fit accettabili dei dati di XMM-Newton.

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Tipo di EPrint:Tesi di dottorato
Relatore:Turolla, Roberto
Correlatore:Gian Luca, Israel
Dottorato (corsi e scuole):Ciclo 22 > Scuole per il 22simo ciclo > FISICA
Data di deposito della tesi:NON SPECIFICATO
Anno di Pubblicazione:29 Gennaio 2010
Parole chiave (italiano / inglese):Magnetars, neutron star, MHD, ultra-strong magnetic field, resonant compton scattering, XTE J1810-197, CXOU J164710.2-455216
Settori scientifico-disciplinari MIUR:Area 02 - Scienze fisiche > FIS/05 Astronomia e astrofisica
Struttura di riferimento:Dipartimenti > Dipartimento di Fisica "Galileo Galilei"
Codice ID:2836
Depositato il:21 Set 2010 11:13
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