Scattering and Absorption of X-rays by Interstellar Dust

Costantini, Elisa (2004): Scattering and Absorption of X-rays by Interstellar Dust. Dissertation, LMU München: Fakultät für Physik

Abstract

In dieser Arbeit habe ich die Eigenschaften der interstellaren Staubpartikel untersucht, wie sie sich aus deren Wechselwirkung mit Roentgen strahlung ergeben. Tatsaechlich werden Photonen, die von einer entfernten Punktquelle stammen, von den Staubteilchen nicht nur absorbiert sondern auch in Vorwaertsrichtung gestreut. Ich habe mehrere Quellen untersucht, die mit unterschiedlichen Instrumenten an Bord der Roentgen satelliten Chandra und XMM beobachtet wurden. Dabei lag der Schwerpunkt sowohl auf den Absorptionsmerkmalen, die das interstellare Medium den Spektren eingepraegt hat, als auch auf der spektralen und raeumlichen Untersuchung der gestreuten Strahlung, die einen Halo aus schwacher diffuser Emission um die Punktquelle erzeugt. Als vorlaeufigen Schritt habe ich die instrumentelle Punktbildfunktion der EPIC-pn-Kamera und der ACIS-Kamera (an Bord von XMM beziehungsweise Chandra) bestimmt unter Benutzung von Daten aus der Flugphase, und diese mit Vorhersagen aus Bodenkalibrationen verglichen. Eine genaue Kenntnis der Punktbildfunktion ist unerlaeßlich fuer eine korrekte Bestimmung der Flaechenhelligkeitsverteilung der ausgedehnten gestreuten Emission. Aus der Analyse von sieben Chandra-Quellen (beobachtet mit ACIS-S und ACIS-I) ergibt sich, daß fuer einige Quellen (namentlich Cen X-3 und der Große Annihilator die Form der Flaechenhelligkeitsverteilung eine einfache gleichförmige Verteilung der Staubkörner entlang der Sichtlinie ausschließt und stattdessen ein Modell mit einem geklumpten Medium bevorzugt wird. Dies ist in uebereinstimmung mit der Geometrie der Galaxis selbst: ein Sehstrahl kann einen oder mehrere Spiralarme durchdringen oder auch mehrere Wolken. Ich habe einige Bedingungen fuer die Lage dieser Staubklumpen aufstellen können. Die Untersuchung der ausgewaehlten Quellen, zusammen mit Daten von frueheren Missionen, hat es mir erlaubt, die innere Struktur der Staubkörner einzugrenzen, und die Grenzen der Streutheorie zu analysieren, wenn diese auf astrophysikalische Objekte angewandt wird. Ich habe mit einer weiteren Auswahl von Chandra-Quellen, die mit dem HETG-Spektrometer beobachtet worden waren, ein besonderes Absorptionsmerkmal (die sogenannten XAFS) untersucht, das von den festen Teilchen im interstellaren Medium verursacht wird. Die am meisten absorbierten Quellen erscheinen als die besten Kandidaten fuer eine erflgreiche Erkennung der XAFS. Da der Absorptionsquerschnitt fuer Staub den fuer Gas oberhalb von 1.3 keV uebersteigt, sind die Elemente mit erwarteten XAFS Magnesium und Silizium. Mittels Beobachtungen von XMM habe ich anhand von Daten des RGS-Spektrometers und der EPIC-pn-Kamera zwei Roentgen-Doppelstenssysteme (LMXB) untersucht ({em Cyg X-2, GX,339-4}). Cyg X-2 ist eine "schwache Haloquelle", was bedeutet, daß die Staubsaeulendichte relativ gering ist. Wegen dieser bei weichen Roentgen energien nur moderaten Absorption konnte der Bereich unterhalb 1 keV sowohl durch Streuung (mittels des Halospektrums) als auch durch Absorption (durch das hochaufgelöste RGS-Spektrum der absorbierten Quelle). Von diesem gestreuten Spektrum konnte -- erstmals -- the Streueigenschaften der Elemente im Staub bestimmen. Die Daten konnten gut an eine Mischung aus Graphit und Silikaten angepaßt werden. Bei der Untersuchung des RGS-Spektrums lag der Schwerpunkt auf der komplexen Struktur der Sauerstoff-Kante und der Eisen-L-Kante, wo viele Absorptionsmerkmale gefunden wurden, und ich habe die beobachteten resonanten Uebergaenge im Lichte neuer Labormessungen identifiziert.

• Dokumententyp: Dissertationen (Dissertation, LMU München)
• Keywords: Interstellar dust, X-ray spectroscopy, scattering, X-ray binaries
• Themengebiete: 500 Naturwissenschaften und Mathematik ; 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
• Fakultäten: Fakultät für Physik
• Sprache der Hochschulschrift: Englisch
• Datum der mündlichen Prüfung: 28. Juni 2004