Ultra-luminous X-ray sources and X-ray luminosity scaling relations in nearby galaxies

Abstract

X-ray binaries (XRB) and their most extreme manifestation Ultra-luminous X-ray sources (ULXs), are the dominant source of the hard X-ray emission in star-forming galaxies. X-ray scaling relations between the luminosity of the XRB population, the star-formation rate (SFR), and stellar mass (M∗) have served as an important tool for measuring the XRB component of any galaxy in the local Universe. Moreover, they have been used to set observational constrains to the population synthesis models of XRBs and their formation and evolution parameters. In this thesis, we have striven to answer the question of whether these correlations are universal and representative of galaxies in the local Universe irrelevant of their conditions (e.g. SFR, M∗). For this reason we test the scaling relations of XRBs on one of the most extreme, highly star-forming galaxies Arp 299 and explore their validity at sub-galactic scales for the ULX-rich galaxies NGC 3310 and NGC 2276 using Chandra data. Moreover, using the XMM-Newton archive we build the largest X-ray sample of bona-fide normal galaxies observed in the X-ray band (650 objects). This sample is drawn from a complete sample of galaxies within 200Mpc and it encompasses the full range of SFR and M∗ observed in the local Universe. With this sample of local star-forming galaxies, we measure the XRB-SFR, XRB-M∗ scaling relations, and their intrinsic scatter. We find that the X-ray luminosity-SFR scaling relation for the full sample of normal local galaxies is sub-linear. This is most likely the result of contribution from ULX-hosting galaxies and/or LMXBs in the low SFR regime. On the other hand the X-ray luminosity-SFR-M∗ scaling relation, is consistent with the relations reported for smaller samples, but with larger intrinsic scatter. The increased scatter is interpreted as the result of the wider range of different types of galaxies (i.e. stellar population ages, metallicity) covered by the full sample in comparison to the previous smaller scale surveys.

Τα διπλά αστρικά συστήματα εκπομπής ακτίνων Χ και οι υπέρλαμπρες πηγές ακτίνων Χ αποτελούν την κύρια πηγή ακτινοβολίας Χ υψηλών ενεργειών (>2keV) από γαλαξίες που παρουσιάζουν αστρογένεση. Σχέσεις κλίμακας μεταξύ της λαμπρότητας του πληθυσμού των διπλών συστημάτων εκπομπής ακτίνων Χ με τον ρυθμό αστρογένεσης ή/και την συνολική αστρική μάζα των γαλαξιών, έχουν χρησιμεύσει ως ένα σημαντικό εργαλείο για τη μέτρηση της περιεκτικότητας κοντινών γαλαξιών σε διπλά συστήματα εκπομπής ακτίνων Χ. Επιπλέον, τέτοιες σχέσεις έχουν χρησιμοποιηθεί για την εκτίμηση των παραμέτρων θεωρητικών μοντέλων που αφορούν τον σχηματισμό και την εξέλιξη διπλών αστρικών συστημάτων εκπομπής ακτίνων Χ. Στη παρούσα διδακτορική διατριβή, εξετάζουμε εάν οι σχέσεις κλίμακας λαμπρότητας ακτίνων Χ είναι αντιπροσωπευτικές για ένα γενικό δείγμα γαλαξιών στο κοντινό Σύμπαν, ανεξάρτητα από τα ιδιαίτερα χαρακτηριστικά του (π.χ. ρυθμό αστρογένεσης και αστρική μάζα). Αρχικά χρησιμοποιούμε δεδομένα του δορυφόρου Chandra και εξετάζουμε αυτές τις σχέσεις για τα διπλά συστήματα εκπομπής ακτίνων Χ σε έναν γαλαξία με ιδιαίτερα υψηλό ρυθμό αστρογένεσης, τον Arp 299. Στη συνέχεια διερευνούμε την εγκυρότητά τους σε υποπεριοχές των γαλαξιών NGC 3310 και NGC 2276 που είναι πλούσιοι σε υπέρλαμπρες πηγές ακτίνων Χ. Τέλος, αναλύουμε δεδομένα για το μεγαλύτερο έως τώρα δείγμα γαλαξιών (650 αντικείμενα) που παρουσιάζουν αστρογένεση και έχουν παρατηρηθεί στις ακτίνες Χ με βάση το αρχείο δεδομένων του δορυφόρου XMM-Newton. Αυτό το δείγμα προέρχεται από ένα πλήρες δείγμα γαλαξιών που βρίσκονται σε αποστάσεις έως 200 Mpc και καλύπτει όλο το εύρος ρυθμών αστρογένεσης και αστρικής μάζας γαλαξιών που παρατηρείται στο κοντινό Σύμπαν. Μετράμε τις σχέσεις κλίμακας λαμπρότητας ακτίνων Χ με τον ρυθμό αστρογένεσης και την συνολική αστρική μάζα των γαλαξιών καθώς και τη διασπορά τους. Διαπιστώνουμε ότι η σχέση της λαμπρότητας στις ακτίνες Χ με τον ρυθμό αστρογένεσης είναι υπογραμμική. Αυτό οφείλεται στη συνεισφορά υπέρλαμπρων πηγών ακτίνων Χ ή/και διπλών συστημάτων εκπομπής ακτίνων Χ χαμηλής μάζας σε γαλαξίες με μικρή τιμή του ρυθμού αστρογένεσης. Παρ' όλα αυτά, η σχέση μεταξύ της λαμπρότητας στις ακτίνες Χ με τον ρυθμό αστρογένεσης και την αστρική μάζα, συμφωνεί, αλλά με μεγαλύτερη διασπορά, συγκριτικά με σχέσεις που έχουν βρεθεί για μικρότερα δείγματα γαλαξιών. Η μεγαλύτερη διασπορά οφείλεται στη πληθώρα διαφορετικών τύπων γαλαξιών (π.χ. διαφορετικές ηλικίες αστρικών πληθυσμών και περιεκτικότητες σε μέταλλα) που καλύπτονται από το δείγμα μας σε σύγκριση με προηγούμενες μελέτες μικρότερης κλίμακας.