ACCRETION AND OUTFLOWS IN LOW MASS X-RAY BINARIES: THE NEAR-INFRARED VIEW

Javier Sánchez Sierras
Thesis advisor
Teodoro
Muñoz Darias
Jorge
Casares Velázquez
Advertised on:
1
2025
Description

Las binarias de rayos X son sistemas formados por un objeto compacto, ya sea un agujero negro de masa estelar o una estrella de neutrones, que absorbe (acreta) materia procedente de una estrella donante. Estos sistemas pueden clasificarse en función de su emisión en rayos X: los sistemas persistentes muestran una elevada luminosidad en rayos X de forma continua, mientras que los sistemas transitorios permanecen en un estado de quietud durante la mayor parte de su vida, únicamente interrumpido por breves periodos de erupción (\textit{outburst}) durante los cuales su luminosidad aumenta drásticamente varios órdenes de magnitud. Además de la diversa fenomenología ligada a los procesos de acreción, las binarias de rayos X también muestran eyecciones (\textit{outflows}) en diferentes longitudes de onda, incluyendo rayos X, visible y radio. En particular, en las dos últimas décadas, se han descubierto dos tipos distintos de vientos formados en el disco de acreción: los vientos de rayos X y los vientos ópticos. Ambos se detectan mediante observaciones espectroscópicas y muestran propiedades cinéticas similares. Sin embargo, sus detecciones se producen durante distintos estados de acreción, no estando clara todavía la posible conexión entre dichos vientos y el proceso de acreción subyacente. Además, el rango espectral del infrarrojo cercano sigue en gran medida inexplorado en este contexto. En esta tesis se presentan tres trabajos en los que se analizan observaciones espectroscópicas en el infrarrojo cercano con el objetivo de estudiar la presencia y la naturaleza de los vientos en sistemas binarios de rayos X transitorios con agujero negro.

En el primer trabajo, presentamos espectros en el infrarrojo cercano del agujero negro transitorio MAXI~J1820+070, que cubren las principales fases de su primer \textit{outburst}. Anteriormente, se publicaron datos simultáneos en el visible que revelaban la presencia de un viento en el sistema durante el estado \textit{hard}. En este trabajo descubrimos que las características espectrales relacionadas con el viento también están presentes en las transiciones del infrarrojo cercano de forma simultánea a las observadas en el visible mostrando, asimismo, propiedades cinéticas similares. Además, dichas características se observan tanto en el estado \textit{hard} como en el \textit{soft}, lo que apunta a la presencia de un viento estable e independiente del estado de acreción.

En el segundo trabajo, llevamos a cabo observaciones espectroscópicas en el visible y en el infrarrojo cercano del agujero negro transitorio 4U~1543--47, que mostró un \textit{outburst} muy luminoso en 2021. Nuestras observaciones se realizaron mientras la fuente se encontraba en el estado \textit{ultra luminoso}, escasamente estudiado, siendo los primeros espectros en el visible y el infrarrojo cercano obtenidos simultáneamente durante dicho estado. Los espectros son muy ricos en líneas de emisión y, aunque no hay detecciones claras de viento, se observan algunos rasgos de carácter indicativo que podrían estar relacionados con la presencia de un \textit{outflow}. Por otro lado, las absorciones anchas presentes en algunas transiciones del visible son consistentes con el espectro de la estrella compañera (de tipo A2V) velado por el disco de acreción.

Finalmente, en el tercer y último trabajo presentamos una extensa campaña de espectroscopía en el infrarrojo cercano sobre el agujero negro transitorio GRS~1915+105, el cuál no es accesible en el visible debido a la elevada extinción interestelar a lo largo de su línea de visión. El sistema ha estado en \textit{outburst} desde su descubrimiento en 1992. Nuestras observaciones cubren la nueva etapa de actividad (2018--2023) iniciada con un descenso gradual de las emisiones en rayos X y en radio. Durante ese tiempo, el sistema mostró diferentes fases, incluyendo dos periodos de fuertes emisiones en radio simultaneas con obscurecimiento en rayos X, y épocas de baja emisión en radio y rayos X. Durante los dos periodos caracterizados por potentes emisiones en ondas de radio se observan intensos perfiles P-Cygni en varias transiciones del helio en el infrarrojo cercano, desvelando la presencia de un viento masivo, que puede estar relacionado con los episodios de auto oscurecimiento del sistema.

Los resultados de esta tesis indican que es muy probable que los vientos estén siempre presentes, actuando como una fuente continua de expulsión de masa y momento angular. Su visibilidad varía a lo largo del \textit{outburst}, influyendo en las propiedades observacionales del sistema en distintas longitudes de onda. Además, estos hallazgos demuestran que el rango espectral del infrarrojo cercano es una ventana prometedora para estudiar dichos vientos, no sólo en los sistemas transitorios con agujero negro, sino también en otros sistemas en los que se dan procesos de acreción.

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