Compact binary millisecond pulsars: X-ray observations and numerical simulations
Authors:   , Vurgun Eda 
Published: November 2024

(English) The thesis deals with millisecond pulsars (MSPs), a fascinating group of neutron stars distinguished by their exceptionally fast rotation periods (Ps < 30 milliseconds) and their strong magnetic fields (of the order of 10^8 to 10^9 Gauss). These cosmic objects are thought to form through a process in which mass transfer from a companion star in a binary system accelerates or "recycles" the neutron star to these rapidly rotating periods. This recycling process not only rejuvenates the pulsar, but also provides insights into the complex mechanisms of stellar evolution. The thesis is divided into two parts, both focused on the phenomena associated with MSPs. The first part explores a population of neutron stars using X-ray observational data. Globular clusters (GCs) are known to be particularly efficient at forming MSPs and low-mass X-ray binaries (LMXBs). due to their high stellar densities. The study presents a detailed investigation of the globular cluster M28 (NGC 6626) using the complete Chandra ACIS ensemble data (2002-2015). The X-ray (LX) luminosity, spectrum and orbital modulation of 7 compact MSP binaries in the cluster were examined. Among the outstanding results, an orbital flux modulation was discovered in the X-rays of M28I (IGR J18245–2452), centered around the lower conjunction of the pulsar. In addition, analysis of the spectrum of the neutron star in the inactive LMXB allowed us to constrain its mass and radius, finding radii between 9.2 and 11.5 km for atmospheric models of 'hydrogen and 13.0 to 17.5 km for helium models, with a mass of 1.4M⊙ (68% confidence interval). The long-term variability of the 46 brightest X-ray sources was also investigated, discovering six new low-luminosity variable X-ray sources in M28. The second part of the thesis studies the interaction of the magnetic field of the neutron star with the nearby accretion disk, performing detailed magnetohydrodynamic (MHD) simulations that incorporate realistic disk structures into the numerical simulations. The aim is to elucidate the mechanism that drives state transitions in transition MSPs, whose physical origin is still poorly understood. The simulations use a newly developed MHD axisymmetric smoothed particle dynamics (SPH) code, exploring four interaction scenarios based on the distance between the neutron star and the inner disc radius. Surface magnetic fields typical of MSPs (B0 = 9.6 × 10^7 G), similar to the known value for the MSP PSR J1023 + 0038, were used and the field-disc interaction was investigated as a function of angle of tilt between the axis of rotation and the magnetic axis of the neutron star. The thesis focuses on numerical simulations of disk structures, with and without magnetic fields. Initial simulations without magnetic fields established a stable disk configuration, which served as a basis for further studies. Simulations that introduced a magnetic field with varying tilt angles revealed that the aligned rotators maintained stability over several orbits, while higher tilt angles led to disk instability. Altogether, this thesis contributes significantly to the understanding of stellar life cycles, binary interactions and extreme physical conditions in these extraordinary celestial objects, the MSPs.

(Català) La tesi tracta sobre els púlsars de mil·lisegons (MSP), un grup fascinant d'estrelles de neutrons que es distingeixen pels seus períodes de rotació excepcionalment ràpids (Ps < 30 mil·lisegons) i els seus camps magnètics forts (de l'ordre de 10^8 a 10^9 Gauss). Es creu que aquests objectes còsmics es formen a través d'un procés en què la transferència de massa d'una estrella acompanyant en un sistema binari accelera o "recicla" l'estrella de neutrons a aquests períodes de rotació ràpida. Aquest procés de reciclatge no només rejoveneix el púlsar, sinó que també proporciona informació sobre els complexos mecanismes de l'evolució estel·lar. La tesi està dividida en dues parts, totes dues centrades en els fenòmens associats als MSP. La primera part explora una població d'estrelles de neutrons mitjançant dades d'observació en raigs X. Se sap que els cúmuls globulars (GCs) són especialment eficients a l'hora de formar MSPs i binaris de raigs X de baixa massa (LMXBs) a causa de les seves altes densitats estel·lars. L'estudi presenta una investigació detallada del cúmul globular M28 (NGC 6626) utilitzant les dades completes del conjunt ACIS de Chandra (2002-2015). Es va examinar la lluminositat de raigs X (LX), l’espectre i la modulació orbital de 7 binaris compactes de MSP al cúmul. Entre els resultats destacats, es va descobrir una modulació del flux orbital en els raigs X de M28I (IGR J18245–2452), centrada al voltant de la conjunció inferior del púlsar. A més, l'anàlisi de l'espectre de l'estrella de neutrons en l'LMXB inactiva va permetre limitar la seva massa i radi, trobant radis d'entre 9,2 i 11,5 km per a models d'atmosfera d'hidrogen i de 13,0 a 17,5 km per a models d'heli, amb una massa d'1,4M⊙ (interval de confiança del 68%). També es va investigar la variabilitat a llarg termini de les 46 fonts de raigs X més brillants, descobrint sis noves fonts de raigs X variables de baixa lluminositat a M28. La segona part de la tesi estudia la interacció del camp magnètic de l'estrella de neutrons amb el disc d'acreció proper, realitzant simulacions detallades de magnetohidrodinàmica (MHD) que incorporen estructures realistes de discs a les simulacions numèriques. L'objectiu és dilucidar el mecanisme que impulsa les transicions d'estat en els MSPs de transició, l'origen físic de les quals encara és poc conegut. Les simulacions utilitzen un codi axisimètric de dinàmica de partícules suavitzades (SPH) MHD recentment desenvolupat, explorant quatre escenaris d'interacció basats en la distància entre l'estrella de neutrons i el radi interior del disc. Es van utilitzar camps magnètics superficials típics dels MSPs (B0 = 9,6 × 10^7 G), similar al valor conegut per l'MSP PSR J1023 + 0038, i es va investigar la interacció camp-disc en funció de l'angle d'inclinació entre l'eix de rotació i l'eix magnètic de l'estrella de neutrons. La tesi es centra en simulacions numèriques d'estructures de discs, amb i sense camps magnètics. Les simulacions inicials sense camps magnètics van establir una configuració de disc estable, que va servir de base per a estudis posteriors. Les simulacions que van introduir un camp magnètic amb angles d'inclinació variables van revelar que els rotadors alineats van mantenir l'estabilitat durant diverses òrbites, mentre que angles d'inclinació més elevats van provocar inestabilitat al disc. En conjunt, aquesta tesi contribueix de manera significativa a la comprensió dels cicles de vida de les estrelles, les interaccions binàries i les condicions físiques extremes en aquests objectes celestes extraordinaris, els MSPs.

(Español) La tesis trata sobre los púlsares de milisegundos (MSP), un grupo fascinante de estrellas de neutrones que se distinguen por sus períodos de rotación excepcionalmente rápidos (Ps < 30 milisegundos) y sus campos magnéticos fuertes (del orden de 10^8 a 10^9 Gauss). Se cree que estos objetos cósmicos se forman a través de un proceso en el que la transferencia de masa de una estrella acompañando en un sistema binario acelera o "recicla" la estrella de neutrones a estos períodos de rotación rápida. Este proceso de reciclaje no sólo rejuvenece al púlsar, sino que también proporciona información sobre los complejos mecanismos de la evolución estelar. La tesis está dividida en dos partes, ambas centradas en los fenómenos asociados a los MSP. La primera parte explora una población de estrellas de neutrones mediante datos de observación en rayos X. Se sabe que los cúmulos globulares (GCs) son especialmente eficientes a la hora de formar MSPs y binarios de rayos X de baja masa (LMXBs) debido a sus altas densidades estelares. El estudio presenta una investigación detallada del cúmulo globular M28 (NGC 6626) utilizando los datos completos del conjunto ACIS de Chandra (2002-2015). Se examinó la luminosidad de rayos X (LX), el espectro y la modulación orbital de 7 binarios compactos de MSP en el cúmulo. Entre los resultados destacados, se descubrió una modulación del flujo orbital en los rayos X de M28I (IGR J18245-2452), centrada en torno a la conjunción inferior del púlsar. Además, el análisis del espectro de la estrella de neutrones en el LMXB inactiva permitió limitar su masa y radio, encontrando radios de entre 9,2 y 11,5 km para modelos de atmósfera de hidrógeno y de 13,0 a 17,5 km para modelos de helio, con una masa de 1,4M⊙ (intervalo de confianza del 68%). También se investigó la variabilidad a largo plazo de las 46 fuentes de rayos X más brillantes, descubriendo seis nuevas fuentes de rayos X variables de baja luminosidad en M28. La segunda parte de la tesis estudia la interacción del campo magnético de la estrella de neutrones con el disco de acreción cercano, realizando simulaciones detalladas de magnetohidrodinámica (MHD) que incorporan estructuras realistas de discos en las simulaciones numéricas. El objetivo es dilucidar el mecanismo que impulsa las transiciones de estado en los MSPs de transición, cuyo origen físico es todavía poco conocido. Las simulaciones utilizan un código axisimétrico de dinámica de partículas suavizadas (SPH) MHD recientemente desarrollado, explorando cuatro escenarios de interacción basados en la distancia entre la estrella de neutrones y el radio interior del disco. Se utilizaron campos magnéticos superficiales típicos de los MSPs (B0 = 9,6 × 10^7 G), similar al valor conocido por el MSP PSR J1023 + 0038, investigando la interacción campo-disco en función del ángulo de inclinación entre el eje de rotación y el eje magnético de la estrella de neutrones. La tesis se centra en simulaciones numéricas de estructuras de discos, con y sin campos magnéticos. Las simulaciones iniciales sin campos magnéticos establecieron una configuración de disco estable, que sirvió de base para estudios posteriores. Las simulaciones que introdujeron un campo magnético con ángulos de inclinación variables revelaron que los rotadores alineados mantuvieron la estabilidad durante varias órbitas, mientras que ángulos de inclinación más elevados provocaron inestabilidad en el disco. En conjunto, esta tesis contribuye de forma significativa a la comprensión de los ciclos de vida de las estrellas, las interacciones binarias y las condiciones físicas extremas en estos objetos celestes extraordinarios, los MSPs.