Analysis of the rotational behaviour and evolutionary scenarios of Accreting Millisecond Pulsars

I present in this study an analysis of the spin and orbital evolution of Accreting Millisecond Pulsars (AMSP). These sources are neutron stars (NS) emitting X-rays because of the accretion of mass transferred by a nearby companion star through an accretion disc. As AMSP owns a magnetosphere that truncates the disc before the NS, thus channelling accreted matter in the vicinity of the magnetic poles, their X-ray emission is pulsed at the NS spin period, which is of few milliseconds in an AMSP. My scientific project relies on the use this invaluable property to evaluate the rotational reaction of the NS to the accretion of mass. As a matter of fact, mass orbiting in an accretion disc has a large specific angular momentum especially close to the NS; when this matter is accreted, it releases its angular momentum to the NS that is therefore expected to accelerate. It is indeed through this mechanism that AMSP have been spun up to their extreme rotational velocities (up to 0.1 times the speed of light in vacuum). I therefore used the X-ray pulsations coming from the NS surface as a clock to precisely measure the tiny variations of the accretor spin frequency as it accretes. This is ultimately a measure of the accretion torques acting on the NS and allows a model dependent estimate of the physical quantities regulating these torques, mainly the rate at which mass is accreted on the NS and the magnetic field straight. Such measurements can be very tricky especially for AMSP. They accrete mass for at most few months, and because of to the large inertia of a NS, the expected frequency variations are of only few parts on ten billions. Standard timing techniques were therefore first tailored to the particular case of these sources, allowing for the first time reliable estimates of their spin state. Six among the ten AMSP discovered so far are considered in this work. In particular, the two sources I focused on the most show how the simple picture of the NS spin-up outlined above does not hold in every case, as the outcome of the accretion can also be the deceleration of the NS. The reason for this behaviour is interpreted by the accretion theory in terms of the interaction between the magnetic field and the accretion disc. This interaction may then brake of the compact object especially if it is very fast. I show in this work how these spin-down are effectively observed and how this allows an estimate of the NS magnetic field. The basics of the accretion picture onto a fast object are tested not only on the basis of a temporal analysis. I show in fact how the spectral information also supports the theoretical expectations. In particular a high spectral resolution observation of a AMSP shows the presence of a broadened iron line in its X-ray spectrum. The only viable location for the formation of a line so broadened is the inner part of the accretion disc, thus allowing for the first time the measure of the size of the inner disc rim of a pulsar. This measure is perfectly consistent with the small range allowed by theory, thus representing a fundamental test of their consistency. Temporal analysis also allows to enlighten the evolution of the binary system the NS belongs to. In the only case of a system which recurred more than once, we could find evidence of a faster than expected evolution. We interpret such behaviour as an indication of relevant mass lost which carries away the angular momentum needed to match the observations. This supports the hypothesis that a rotation powered pulsar switches on during the quiescent phases of the binary. Moreover, this observation can be considered as one of the few astrophysical cases in which a highly non conservative evolution was directly observed. The results presented in this thesis cover many aspects of the physics of these fast accretors, and show how X-ray temporal and spectral analysis can jointly supply a wealth of information on the physical state of these extreme and puzzling systems. These results confirm the basic theoretical expectations but open also several issues which are very promising to shed some light in particular on the environment surrounding these fast rotating NS and on their actual evolutionary progeny.

In questo studio viene presentata un'analisi dell'evoluzione rotazionale ed orbitale delle Pulsar X al millisecondo (AMSP). Queste sorgenti sono delle stelle di neutroni (NS) che emettono energia in raggi X accrescendo la materia trasferita da una stella compagna, tramite un disco di accrescimento. Poichè le AMSP poseggono una magnetosfera che interrompe il flusso di materia nel disco prima della superficie, concentrando l'accrescimento nelle vicinanze dei poli magnetici, l'emissione X è pulsata al periodo di rotazione della stella, che è di qualche millisecondo per una AMSP. Il mio progetto di ricerca si basa sull'utilizzo di questa proprietà fondamentale per valutare la reazione della NS all'accrescimento di materia. Infatti le particelle di un disco di accrescimento posseggono un elevato momento angolare specifico, specialmente nelle vicinanze della NS; quando la materia viene accresciuta il suo momento angolare viene rilasciato alla stella, che tende quindi ad accellerare. E' proprio questo meccanismo che ha condotto le AMSP alla estrema velocità di rotazione attuale (un decimo della velocità della luce). Avendo a disposizione un tale orologio solidale alla stella, ho utilizzato le pulsazioni X provenienti dalla superficie per misurare le piccole variazioni della frequenza di rotazione della NS mentre accresce massa. Se ne trae quindi una misura delle coppie che agiscono su di essa e la stima delle grandezze che le regolano, principalmente il tasso di accrescimento di massa e l'intensità del campo magnetico della NS. Tali misure sono estremamente delicate, specialmente nel caso delle AMSP. Infatti queste sorgenti accrescono massa al più per qualche mese ed, a causa dell'elevata inerzia di una NS, la variazione di frequenza attesa è solamente di poche parti su dieci miliardi. Innanzi tutto le tecniche standard di timing sono state quindi adattate al caso particolare di questi oggetti, permettendo per la prima volta una misura affidabile del loro stato rotazionale. Sono state prese in considerazione sei delle dieci AMSP scoperte sin ora. In particolare, le due alle quali mi sono dedicato maggiormente mostrano adeguatamente come il semplice schema di accellerazione della NS delineato sopra non valga in ogni caso, e come una AMSP possa anche decelerare durante l'accrescimento. La causa di tale decelerazione è individuata dalla teoria dell'accrescimento nell'interazione tra il campo magnetico e il disco di accrescimento, interazione che può quindi rallentare la stella specialmente se questa ruota molto rapidamente. In questo lavoro mostro come questi rallentamenti vengono effettivamente osservati e come consentano di ottenere stime del campo magnetico della NS. Gli elementi basilari delle teorie dell'accrescimento su un rotatore veloce sono stati testati non solo sulla base dei risultati dell'analisi temporale. Si mostra infatti come le attese teoriche siano supportate anche alla luce dell'informazione spettrale. In particolare l'osservazione di una AMSP mostra la presenza di una riga del ferro molto larga nel suo spettro in raggi X. Essendo la regione interna del disco di accrescimento l'unica possibile regione di formazione di una riga così larga, è stato possibile misurare, per la prima volta nel caso di una pulsar, l'estensione del bordo interno del disco. Il valore misurato è perfettamente in accordo con il ristretto intervallo permesso dalla teoria, rappresentando così una verifica fondamentale della sua consistenza. L'analisi temporale consente inoltre di valutare l'evoluzione orbitale del sistema binario al quale appartiene la NS. Nell'unico caso di un sistema che abbia mostrato più di un episodio di attività, si è trovata evidenza di una evoluzione molto più rapida di quella attesa. Questo comportamento può essere spiegato solo in termini di rilevanti perdite di massa, massa che porta con sé la quantità di momento angolare necessaria per rendere conto dell'evoluzione misurata. Ciò supporta inoltre l'ipotesi che tali perdite di massa siano dovute all'accensione di una pulsar alimentata dalla rotazione durante le sue fasi di quiete del sistema. Questo può in definitiva essere considerato uno dei pochi casi astrofisici in cui viene osservata in tempo reale un'evoluzione altamente non conservativa. I risultati presentati in questa tesi coprono quindi molti aspetti della fisica di questi sistemi, mostrando come l'unione dell'analisi temporale e spettrale possa fornire una gran quantità di informazioni su questi sistemi estremi e per certi versi sconcertanti. In definitiva sono state confermate le attese teoriche di base sull'accrescimento su NS veloci, ma si aprono anche diverse questioni che promettono di gettare maggiore luce sulla fisica dell'ambiente immediatamente circostante la stella e sull'effettiva linea evolutiva delle AMSP.