Populations of ultraluminous X-ray sources in nearby galaxies
Authors: Κοβλακάς Κωνσταντίνος 
Published: September 2021

Οι υπέρλαμπρες πηγές ακτίνων Χ (ΥΠΧ) είναι οι τα πιο ενεργητικά, μη-εκρηκτικά αστρικά συστήματα, με λαμπρότητες που ξεπερνούν το όριο Eddington για μελανές οπές αστρικής μάζας ~10^39 erg/s. Σχηματίζονται από ένα συμπαγή αστέρα (μελανή οπή ή αστέρα νετρονίων) και ένα συνοδό αστέρα από τον οποίο μεταφέρεται υλικό, σχηματίζοντας ένα δίσκο προσαύξησης και καταλήγοντας εν τέλει στο συμπαγή αστέρα. Η απελευθέρωση βαρυτικής ενέργειας από την προσαυξανόμενη ύλη τροφοδοτεί τις ακραίες λαμπρότητες των ΥΠΧ, που μερικές φορές κυριαρχούν στη συνολική εκπομπή ακτίνων-Χ των γαλαξιών που τις φιλοξενούν. Καθώς οι ΥΠΧ είναι σπάνιες - τυπικά μία ανά γαλαξία - εντοπίζονται κυρίως σε μεγάλες αποστάσεις. Έτσι, μόνο μερικά από αυτά τα συστήματα έχουν μελετηθεί διεξοδικά, με τις γενικές ιδιότητες του πληθυσμού τους να αποτελούν αμφιλεγόμενο ζήτημα. Η φύση του συμπαγούς αστέρα και του συνοδού του, και η ακριβής δομή του δίσκου προσαύξησης δεν είναι πλήρως κατανοητές. Επιπλέον, οι αινιγματικές τους λαμπρότητες πέραν του ορίου Eddington αποτελούν πρόκληση για τη Φυσική της ταχείας προσαύξησης μάζας, και έχουν συνέπειες για την επίδραση των ΥΠΧ στην εξέλιξη των γαλαξιών και τη διαγαλαξιακή ύλη στα πρώιμα στάδια του Σύμπαντος. Η μελέτη των ΥΠΧ στα πλαίσια των φιλοξενούντων γαλαξιών τους μπορεί να επιβάλλει περιορισμούς στις παραμέτρους που επηρεάζουν το σχηματισμό και την εξέλιξη τους, και συνεπώς μπορεί να δώσει πληροφορίες για τα τελικά στάδια διπλών αστέρων μεγάλης μάζας, όπως αυτά που δημιουργούν εκλάμψεις ακτίνων-γ βραχείας διάρκειας, και πηγές βαρυτικών κυμάτων. Έτσι, δημογραφικές μελέτες των ΥΠΧ εξετάζουν τη συχνότητα των ΥΠΧ σε γαλαξίες, και τη σχέση της με τις αστρικές παραμέτρους τους, όπως ο ρυθμός αστρογένεσης, η αστρική μάζα και η μεταλλικότητα. Σε αυτήν τη διατριβή, πραγματοποιούμε μία απογραφή των πληθυσμών ΥΠΧ στο τοπικό Σύμπαν, και επανεξετάζουμε τη σύνδεσή τους με τις παραμέτρους των γαλαξιών στους οποίους ανήκουν. Πρώτα, κατασκευάζουμε έναν κατάλογο γαλαξιών σε αποστάσεις <200 Mpc, τον Heraklion Extragalactic Catalogue (HECATE ή Εκάτη), που παρέχει όλες τις απαραίτητες πληροφορίες για μία εμπεριστατωμένη μελέτη των ΥΠΧ σε κοντινούς γαλαξίες. Χρησιμοποιώντας δεδομένα από αστρονομικές βάσεις δεδομένων, και παρατηρήσεις σε διάφορα μήκη κύματος, προσδιορίζουμε τις αποστάσεις και τις αστρικές παραμέτρους των γαλαξιών. Επιπλέον, συζητούμε πιθανές άλλες χρήσεις του καταλόγου για άλλους τομείς τις Αστροφυσικής, όπως ο χαρακτηρισμός πηγών από συστηματικές έρευνες σε διάφορα μήκη κύματος, ο εντοπισμός των γαλαξιών στους οποίους βρίσκονται πηγές βαρυτικών κυμάτων, κ.α. Συνδυάζοντας την Εκάτη με τον δεύτερο κατάλογο του Chandra, κατασκευάζουμε έναν κατάλογο πληθυσμών ΥΠΧ σε γαλαξίες με αποστάσεις μέχρι 40 Mpc. Βρίσκουμε 629 ΥΠΧ σε 309 γαλαξίες. Διορθώνοντας στατιστικά τη συνεισφορά (~20%) από αστέρια και πηγές υποβάθρου, εκτιμούμε το πλήθος των ΥΠΧ σε κάθε γαλαξία στο δείγμα μας, και μελετούμε τη σχέση του με το ρυθμό αστρογένεσης, την αστρική μάζα και τη μεταλλικότητα. Ως αποτέλεσμα, δίνουμε την πιο ακριβή μέτρηση της αναλογίας των ΥΠΧ σε γαλαξίες μεταγενέστερου τύπου με τον αριθμό αστρογένεσης, 0.51 +/- 0.06 ΥΠΧ ανά (ηλιακή μάζα/χρόνο). Αυτή η τιμή είναι πολύ κοντά στα αποτελέσματα πρόσφατα δημοσιευμένων κατανομών λαμπρότητας διπλών αστέρων ακτίνων-Χ μεγάλης μάζας. Λαμβάνοντας υπόψη τις διαφορές των δειγμάτων, εξηγούμε τη διαφορά με παλαιότερες μετρήσεις της αναλογίας σε μελέτες που εστίασαν σε ΥΠΧ. Λαμβάνουμε υπόψη, για πρώτη φορά, τη συνεισφορά των διπλών αστέρων ακτίνων-Χ μικρής μάζας (που είναι ανάλογη της αστρικής μάζας). Οι παραπάνω συντελεστές εξαρτώνται από τον μορφολογικό τύπο των γαλαξιών, με τους πρώιμους σπειροειδείς (π.χ., S/a-Sbc) να φιλοξενούν ένα μικρό αλλά μη-αμελητέο πληθυσμό από λαμπρούς διπλούς αστέρες ακτίνων-Χ μικρής μάζας. Ακόμη, επιβεβαιώνουμε της γνωστή αρνητική συσχέτιση της συχνότητας των ΥΠΧ με τη μεταλλικότητα, και αποδίδουμε σε αυτή, το πλεόνασμα ΥΠΧ σε γαλαξίες μικρής μάζας ή/και ύστερου μορφολογικού τύπου. Σχετικά με την ειδική συχνότητα των ΥΠΧ στους γαλαξίες πρώιμου τύπου, βρίσκουμε 6.3 +/- 1.0 ΥΠΧ ανά 10^12 ηλιακές μάζες, σε συμφωνία με προηγούμενα αποτελέσματα, και κατανομές λαμπρότητας διπλών αστέρων ακτίνων Χ μικρής μάζας, υποδεικνύοντας τους τελευταίους ως την προέλευση των πληθυσμών ΥΠΧ σε ελλειπτικούς γαλαξίες. Ωστόσο, ανακαλύπτουμε ένα πλεόνασμα ΥΠΧ σε γαλαξίες πρώιμου τύπου και μικρής μάζας, το οποίο αναπαράγουμε με το συνδυασμό αποτελεσμάτων από προσομοιώσεις διπλών αστέρων, και ιστορίες αστρογένεσης από πραγματικούς γαλαξίες. Επιπλέον, βρίσκουμε ενδείξεις για ένα πληθυσμό ΥΠΧ σε μεγάλες αποστάσεις από τα κέντρα ελλειπτικών γαλαξιών, υποδεικνύοντας πιθανή συνεισφορά από πηγές σε σφαιρωτά σμήνη, όπως έχει αναφερθεί σε προηγούμενες έρευνες. Τέλος, χρησιμοποιώντας εικόνες από παρατηρήσεις ακτίνων-Χ με το Chandra, προσομοιώνουμε την επίδραση του φαινομένου της σύγχυσης πηγών, σε αποστάσεις από 10 ως 100 Mpc. Προσδιορίζουμε τα συστηματικά σφάλματα στις κατανομές λαμπρότητας, και στο παρατηρούμενο πλήθος των ΥΠΧ. Βρίσκουμε ότι σε αποστάσεις μεγαλύτερες των 60 Mpc, η σύγχυση των πηγών προκαλεί συστηματική υπερεκτίμηση των ΥΠΧ. Τέλος, τονίζουμε τη σημασία της "σβολώδους" εμφάνισης των περιοχών αστρογένεσης και διάχυτης ακτινοβολίας, στο παρατηρούμενο πλήθος τον ΥΠΧ.