The Seen & the Unseen: from X-ray Binary Catalogues to Probabilistic Noise-Processing Techniques

Abstract

X-ray astronomy provides a unique window into the most energetic and extreme processes in the universe. In particular, compact objects such as neutron stars, or black holes accreting matter from a companion star serving as a natural laboratory for stellar evolution, accretion processes, behavior of matter in strong magnetic fields, and much more. An accurate background modeling is essential for extracting astrophysical signals, especially faint signals in X-ray observations. This thesis consists of two separate parts, the first part is about catalogues of X-ray binaries, the second part presents a novel method to deal with the unwanted background. The first part of this thesis deals with the X-ray binaries which are known to be a possible endpoint of stellar evolution. These systems consist of compact objects, e.g. neutron stars or black holes, and a non-degenerated companion. Depending on the mass of the companion, the system is classified into two different class. If the mass of the companion is below one solar mass the systems are classified as Low Mass X-ray Binaries (LMXBs), while above eight solar masses they are classified as High Mass X-ray Binaries (HMXBs). In such highly energetic systems, the compact object accretes from the companion, emitting large amount of energies in the X-rays. A variety of such systems are known within and outside our galaxy. It is therefore crucial to create a catalogue containing such a system, specially for a population study. Numerous known catalogues have been created in the past, and most recently between 2003 and 2007 for galactic HMXBs and LMXBs (Liu et al., 2006, 2007; Ritter and Kolb, 2003). Since then, new systems have been discovered and parameters of known systems have changed. The goal of the first project was to publish new catalogues of HMXBs and LMXBs, in cooperation with Dr. Avakyan. This project resulted in two publications (Neumann et al. (2023), and Avakyan et al. (2023)) and a website containing both catalogues, providing users an opportunity to explore them interactively. The second project deals with new, and alternative method to reduce background in the XMM-Newton observations. Already established methods have their own benefits but also downsides. The simple subtraction of a constant background value might not be computationally demanding; however, in the regime of low count rates, this technique can result in an unphysical negative count. An alternative is to model the source and background, which can yield a more significant result than simple subtraction; however, it is more computationally demanding and requires a prior knowledge of the source which is not always possible, especially for a new object. To deal with such shortcomings of the existing methods, the technique explained in this part uses a probabilistic approach, which prevents a negative source count and does not require prior knowledge of the object. Since the probabilistic technique needs an estimated background, part of the project was to develop images in different energy ranges which can be used to estimate the background in later observations. Then the technique was first tested on the artificial data and then applied to real observations to evaluate its performance.

Röntgenastronomie bietet die Möglichkeit, Einblicke in die extremsten und energiereichsten Prozesse des Universums zu erhalten. Im speziellen bieten sich Systeme, in denen ein kompaktes Objekt wie ein Neutronen Stern oder ein Schwarzes Loch Materie von einem Begleitstern akkretiert, als natürliches Labor an, um stellare Evolution, Akkretionsprozesse, das Verhalten von Materie in extremen Magnetfeldern und vieles mehr zu untersuchen. Zur gleichen Zeit, ist aber auch eine möglichst genaue Modellierung des Hintergrunds wichtig, zum extrahieren von astrophysikalischen Signalen, besonders für sehr schwache Signale. Deswegen besteht diese Arbeit aus zwei seperaten Teilen. Während es im ersten Teil um Kataloge von Röntgendoppelsternsysteme geht, beschäftigt sich der zweite Teil mit einer neuartigen Methode um Beobachtungen von ungewolltem Hintergrund zu bereinigen.

Wie bereits früher erwähnt, beschäftigt sich das erste Projekt mit Röntgendoppelstern Systemen, welche Endpunkte der stellaren Entwicklung seinen können. Diese Art von Systemen beherbergen ein kompaktes Objekt wie zum Beispiel einen Neutronenstern oder ein schwarzes Loch, sowie einen nicht degenerierten Begleitstern. Abhängig von der Masse des Begleitsterns kann man diese Systeme in zwei Klassen unterteilen. Ist die Masse des Begleitsterns geringer als eine Sonnenmasse so spricht man von einem Röntgendoppelstern System mit geringer Masse (LMXBs). Sollte die Masse des Begleitsterns jedoch größer als acht Sonnenmassen sein so klassifiziert man das System als Röntgendoppelsternsystem mit hoher Masse (HMXBs). Da die kompakten Objekte zumeinst von ihrem Begleitstern Materie akkretieren, und dies zur Freisetzung großer Energiemengen führt, sind diese Objekte meist im Röntgenbereich beobachtbar. Heutzutage ist eine Vielzahl dieser Systeme bekannt sowohl innerhalb unsere Galaxie wie auch außerhalb. Deshalb ist es notwendig für Bevölkerungsstudien diese Systeme zu katalogisieren. Diese Katalogisierung wurde bereits in der Vergangenheit durchgeführt, jedoch zuletzt zwischen 2003 und 2007 für die galaktischen HMXBs und LMXBs (Liu et al., 2006, 2007; Ritter and Kolb, 2003). Seitdem wurden neue Systeme entdeckt und Parameter von bekannten Systemen haben sich geändert. Deshalb bestand das erste Projekt daraus neue Kataloge für HMXBs und LMXBs zu entwickeln wobei die Entwicklung des Katalogs für LMXBs von Dr. Avakyan übernommen worden ist. Die Entwicklung der Kataloge resultierte in zwei Veröffentlichungen (Neumann et al. (2023) und Avakyan et al. (2023)). Sowie einer Website die beide Kataloge beinhaltet und dem Benutzer die Möglichkeit gibt diese interaktiv zu erkunden.

Das zweite Projekt hingegen beschäftigt sich mit einer neuen und alternative Technik um unerwünschte Event des Hintergrunds bei Beobachtungen mit dem Röntgenobservatorium XMM-Newton zu entfernen. Die bereits etablierten Techniken haben ihre Vor- und Nachteile. So ist das Subtrahieren eines konstanten Hintergrunds zwar nicht rechenintensiv, jedoch kann es vorkommen das besonders im Bereich von wenigen Events die Anzahl der Quellen Events negativ wird, was unphysikalisch ist. Modellierung der Quelle und des Hintergrunds ist weiter Möglichkeit den Hin- tergrund in Beobachtungen zu berücksichtigen. Während diese Technik bessere Ergebnisse liefert als die Subtraktion eines konstanten Hintergrunds, ist sie jedoch rechenintensiver und setzt voraus das man weiß um was für eine Quelle es sich handelt, dies ist besonders bei neuen Quellen nicht unbedingt möglich. Deshalb verwendet die neue Technik einen probabilistischen Ansatz welcher verhindern soll das die Anzahl der Quellenevents negativ werden und gleichzeitig keinen Wissen über die Quelle voraussetzt. Da die probabilistische Technik eine Schätzung des Hintergrund benötigt wurden Bilder in verschiedenen Energiebereichen entwickelt die zur Schätzung verwendet werden können. Außerdem wurde die neuartige Technik zuerst an künstlich erzeugten Daten und später an echten Beobachtungen getestet um deren Nutzen zu evaluieren.