Near-infrared spectroscopy of the most powerful black-hole X-ray binary:

Abstract

Contexto. En la actualidad, el estudio de sistemas binarios de rayos X (compuestos por un objeto compacto, típicamente un agujero negro o una estrella de neutrones, llamado acretor, y una estrella compañera, llamada donante) tiene un gran interés científico por su propia física y su relación con el medio. En particular, aquellos que contienen un agujero negro permiten una mejor comprensión de la física extrema que se da alrededor de estas singularidades. En este campo, los procesos de acreción resultan de interés propio ya que se trata de los procesos más eficientes conocidos a la hora de convertir energía y están relacionados con las inyecciones de energía al medio interestelar (en casos como las binarias de rayos X) o intergaláctico (en casos como los núcleos activos de galaxias o AGNs). Por ello, comprender estos fenómenos es uno de los principales objetivos en la astrofísica moderna. En este sentido, los sistemas binarios con agujeros negros de masa estelar tiene un gran interés, ya que las escalas de tiempo de sus variaciones son menores a aquellas de sistemas más masivos (como los AGNs), permitiendo un estudio de la evolución de los procesos de acreción y sus distintos estados en un mismo sistema, pudiendo comprender mejor la física que los gobierna. GRS 1915+105 resulta uno de los sistemas binarios de rayos X de baja masa más interesantes y estudiados. Está formado por un agujero negro y una estrella gigante de tipo K. Parte del gas de esta última es acretada, formando un disco de acreción, por el objeto compacto al sobrepasar su lóbulo de Roche. Este sistema, considerado semi-persistente, ha permanecido en outburst, con emisiones cercanas a la luminosidad de Eddington, desde su descubrimiento en 1992 hasta mediados de 2018, cuando se notificó una gran caida en su luminosidad. Sin embargo, en 2019 se observaron inesperados flares en rayos X y radio. Esto llevó a que se propusieran diversas teorías sobre su origen. Una de las más destacadas es la de un inusual estado de oscurecimiento, en que el material circundante absorvería parte de la luminosidad de la fuente, que seguiría siendo intrínsecamente brillante en la longitud de rayos X. Objetivos. En el presente Trabajo de Final de Máster se realiza un estudio de esta fuente desde una perspectiva multi-frecuencia. Las distintas longitudes de onda permiten analizar distintas partes del sistema. En particular, los rayos X permiten el estudio de la zona más cerca al agujero negro, mientras que el infrarrojo cercano está asociado a una zona relativamente fría del disco de acreción y otras estructuras como el jet. En este proyecto, analizamos la evolución de la fuente en los últimos 5 años, buscando una posible relación entre los rayos X y el infrarrojo cercano. Esto nos permite un estudio del disco en una región distinta a la observada en los últimos tiempos, con lo que pretendemos profundizar en el análisis de los diversos estados de acreción y, al tratarse de una discusión abierta, nos resulta de particular interés el estado actual de la fuente. La combinación de nuestras observaciones en el infrarrojo cercano con la información publicada sobre observaciones en radio y los datos en rayos X, nos permiten entender mejor la física relacionada con este sistema. Métodos. Este trabajo está basado en medidas espectroscópicas de la fuente en banda 𝐾spec (infrarrojocercano) obtenidas con EMIR, un espectrógrafo multiobjeto instalado en el GTC, a lo largo de 14 noches distribuidas en 3 campañas (2017B, 2018B y 2021B). Con esto se cubren 3 luminosidades en rayos X (alta luminosidad, decaimiento y un flare durante quiescencia), rango de longitud de onda que estudiamos gracias a los datos públicos del experimento MAXI. Toda esta información es completada por medidas fotométricas tomadas de las imágenes de adquisición de EMIR. El análisis espectroscópico se centra en la línea de hidrógeno neutro Br𝛾, la cual es ajustada a través de una función multigaussiana, con dos o tres componentes (dependiendo de si existe o no sobreemisión en el ala azul de la línea). Durante el análisis, se observó que las 14 noches podían ser agrupadas en 6 épocas (E-17, E-18A, E-18B, E-21A, E-21B y E-21C) considerando la similitud de la línea y la cercanía temporal de las observaciones. Esto permitió incrementar la relación señal a ruido (SNR) en todos los casos. Para este mismo fin se aplicó un rebineado a la línea a estudiar. Resultados. La línea estudiada presenta una gran variabilidad en las distintas épocas consideradas, pero también mantiene rasgos comunes (en particular, en todas ellas se observa un doble pico asociado al disco de acreción, cuya separación entre máximos está relacionada con la distancia de formación de la línea al objeto acretor, siendo una mayor separación característica de una menor distancia). Esto permite ver una clara evolución en la distancia de formación de Br𝛾, correlacionada con la luminosidad en rayos X. En este análisis presentamos la idea de que la distancia de emisión de la línea está relacionada con el brillo en rayos X a través de la irradiación que sufre el disco disco, provocada por el objeto compacto. También se observa una sobreemisión en el límite azul de la línea en las épocas E-17, E-18A, E-21A y E-21B, lo cual podría estar asociado a un viento en el disco de acreción. Esta idea se ve reforzada al estudiar la velocidad límite del ala, consistente con la de vientos en otros sistemas binarios de este tipo. La información fotométrica, complementaria a la espectroscopía, permite estudiar un exceso de emisión de origen incierto en el continuo infrarrojo durante la primera campaña. Esto podría estar relacionado con componentes distintas al propio disco, como el jet. Finalmente, las observaciones más recientes (2021B) muestran una emisión de Br𝛾 de una zona relativamente interna del disco, aunque con una evolución consistente con el flare en rayos X reportado. Esto parece ir en contra de la propuesta de un estado intrínsecamente luminoso pero oscurecido, pues el absorvente debería ser interior a la zona de emisión de Br𝛾 (muy cerca del acretor), o de lo contrario esperaríamos que la emisión de dicha línea fuera más externa debido a que el disco respondería a la irradiación (aún sin absorver); es decir, el disco parece verse afectado por la misma luminosidad medida desde la Tierra.

Context. Accretion is one of the most important processes that produce energy feedback in both interstellar and intergalactic media. It is still to be completely understood. In that sense, the rapid evolution in X-ray binaries supposes a great opportunity to test our understanding of the mechanisms relevant to accretion. GRS 1915+105 is a well-known low-mass X-ray binary composed of a black hole and a K-type giant star. It has the longest known orbital period for this type of source and it was emitting at high luminosity in X-rays for more than 25 years, supported by its large accretion disk. In mid-2018, the source faced a decay in luminosity that seemed to indicate a new quiescence state. Nonetheless, flare activity in different bands and other unexpected behavior observed from 2019 on, led to the proposal of an internally obscured state caused by a high-density gas around the central engine. Aim. We want to study the evolution of the accretion state of the source in the last five years, exploring a possible relation between X-ray luminosity and near-infrared (NIR) spectroscopy. We have a special interest in the current state of the source. This extra information provided by this NIR study will be complementary to those already published in X-ray and radio wavelength and will be used to discuss its physical implications. With that, we want to better understand the physics of the disk and, consequently, the present accretion state, still debated by different authors. Methods. We carried out spectroscopic observations of GRS 1915+105 in the 𝐾spec band for 14 nights across three semesters with EMIR. We covered different X-ray luminosities (high X-ray luminosity, decay, quiescence, and flare in quiescence, derived from the MAXI data). We focus our analysis on the Br𝛾 line, which was reproduced with a multi-Gaussian fit. To characterize the evolution of the line, we computed its equivalent width for the different epochs. Finally, we obtained additional information from photometrical data in the NIR. Results. The Br𝛾 line displayed great variability in the different observed epochs, which was correlated with the X-ray luminosity. We argue that the emission radius of the line is related to the X-ray luminosity through irradiation of the disk. The photometrical information allowed us to discuss a continuum excess in NIR in the first epoch with an uncertain origin. In addition to that, we detected blue emission excesses in four of the six epochs, that we proposed to be disk winds. The last epoch shows Br𝛾 emissions from the inner part of the disk. This is highly consistent with quiescence. For this reason, we argue in favor of a possible scenario dominated by a decline in the accretion rate as the main responsible for the decrease observed in the X-ray light curve. A contribution from internal obscuration is also considered to be possible, but not dominant.