X-rays From Galactic Black Holes - Theory and Observation

Abstract

Die Arbeit untersucht die Entstehung der harten Röntgenstrahlung galaktischer Schwarzlochkandidaten. Der wahrscheinlichste physikalische Prozeß, der dieses Spektrum erzeugt, ist die Comptonisierung weicher Strahlung in einem heißen Elektronenplasma, einer Akkretionsscheibenkorona. Diese entsteht wahrscheinlich als Folge hydrodynamischer Instabilitäten in einer Akkretionsscheibe. Unter Comptonisierung versteht man hierbei die Erzeugung harter Photonen durch inverse Comptonstöße an heißen Elektronen. Dabei können Photonendichten entstehen, die so groß sind, daß Photon-Photon-Paarbildungsprozesse eintreten können. Unter Verwendung nichtlinearer Monte Carlo Methoden wird das Strahlungstransportproblem in solchen Akkretionsscheibenkoronen selbstkonsistent für verschiedene Geometrien gelöst. Um genaue Parameter für die Koronen in Schwarzen Löchern zu erhalten, müssen die aus den theoretischen Rechnungen erhaltenen Spektren direkt mit Beobachtungsdaten verglichen werden. Hierzu sind Beobachtungen im Energiebereich von 1 bis 300 keV notwendig. Die Arbeit geht besonders auf eine Rossi X-ray Timing Explorer Beobachtung des galaktischen Schwarzen Loches Cygnus X-1 ein. Hier zeigt sich, daß die Akkretionsscheiben- modelle tatsächlich das Röntgenspektrum beschreiben können. Die optische Tiefe der Korona beträgt tau=2.1+/-0.1, ihre mittlere Temperatur ist kT=65.7+/-3.3 keV. Ferner kann aus dem zeitlichen Verhalten der Quelle eine koronale Größe kleiner als 25 GM/c^2 abgeleitet werden.

This dissertation analyzes the generation mechanisms for the hard X-rays observed from galactic black hole candidates. The most probable physical process generating the observed spectrum is Comptonization of soft radiation in a hot electron plasma, an accretion disk corona (ADC). This corona is most probably the result of hydrodynamical instabilities in an accretion disk. 'Comptonization' means the generation of hard photons through inverse Compton collisions with hot (energetic) electrons. It is possible that the resulting photon densities are large enought that photon-photon pair-production becomes important. Using nonlinear Monte Carlo Methods we solve the radiation transport problem in such accretion disks in a selfconsistent way for several geometries. To obtain the exact physical parameters for the coronae of black holes it is necessary to compare the spectra from the theoretical computations with observational data. For this, observations in the energy range from 1 to 300 keV are necessary. This work concentrates on a Rossi X-ray Timing Explorer observation of the galactic black hole Cygnus X-1. It is shown that the accretion disk models are able to describe the observed X-ray spectrum. The optical depth of the corona is tau=2.1+/-0.1, its average temperature is kT=65.7+/-3.3 keV. Furthermore, analysis of the temporal variability of the source results in a coronal size smaller than 25 GM/c^2.