High energy behaviour of neutron star low mass X-ray binaries

Lo scopo di questa tesi di Dottorato è lo studio dell'emissione ad alta energia da Stelle di Neutroni in sistemi Binari-X (LMXB), in particolare per la sottoclasse delle sorgenti classificate come Atoll e Bursters. I principali processi di emissione delle NS LMXBs sono attribuiti sia all'emissione termica del disco di accrescimento (o dalla NS o dal "boundary layer") che domina nella banda di energia "soft" (0.1-10 keV), sia alla Comptonizzazione che, viceversa, domina a più alta energia (>20 keV). Nonostante i principali processi siano ormai spiegati, la complessità delle varie componenenti presenti negli spettri che si estendono ad alta energia rende questi ultimi difficili da interpretare. Inoltre, negli ultimi anni, lo studio di questi sistemi ha rivelato che emettono ad alta energia con transizioni di stato spettrale simili ai sistemi con Buchi Neri (BH). Recentemente sono stati riportati in alcuni casi sia la mancanza di "cut-off" ad alta energia, che indica la possibile correlazione con emissione radio e produzione di "jets", sia la presenza di componenti di riflessione. Nonostante queste evidenze, permangono ancora punti aperti ed un'indagine del loro comportamento in una banda ampia di energia mancava prima del lancio di INTEGRAL. In questa tesi si riportano i risultati dello studio ad alta energia da un campione selezionato di NS LMXBs di tipo Atoll e Bursters, nel Bulge Galattico: 4U 1608-522, GX 354-0, 4U 1722-30, 4U 1820-30, 4U 1812-12, XB 1832-330 ed anche 4U 1254-690. Questo campione è composto da sorgenti con differenti caratteristiche, molte di esse appartengono a Globular Cluster, qualcuna è classificata come transiente e qualcuna come persistente. Il lovoro è consistito nello studio di questo campione tramite l'analisi dati delle osservazioni effettuate con INTEGRAL. Il lavoro si è basato dapprima sulla creazione di curve di luce, per determinare cambiamenti di flusso nel tempo; succesivamente, sulla costruzione dei diagrammi colore-intensità; infine su una estrazione spettrale "fine", per determinare i parametri fisici che dominano i diversi stati spettrali. In alcuni casi sono stati anche usati dati scientifici di altri satelliti (BeppoSAX e RXTE). I risultati possono essere riassunti in questo modo: Conferma che le NS LMXBs sono sistemi che emettono ad alta energia fino a 200-300 keV. Le sorgenti 4U 1812-12, XB 1832-330, 4U 1254-690 hanno mostrato un comportamento persistente con emissione ad alta energia fino a 200 keV. Le sorgenti 4U 1820-30, 4U 1608-522, 4U 1722-30 and GX 354-0 hanno mostrato cambiamento di stato spettrale. In particolare, per la prima volta, la sorgente 4U 1820-30 ha mostrato, durante lo stato Hard, un'emissione ad alta energia caratterizzata dalla presenza di una coda dura sopra ai 50 keV. Essa può essere prodotta da emissione di sincrotrone correlata ad emissione radio di un "jet", o più probabilmente, da emissione di Comptonizzazione ibrida termica/non termica. Tale coda dura è stata anche rivelata durante lo stato Hard di GX 354-0. Infine, abbiamo ricostruito per tutti gli stati rivelati delle sorgenti del nostro campione, il "Burters Box", cioè un diagramma che confronta la luminosità nella bande di energia 4-10 keV e 20-200 keV. Esso è utile per la ricerca delle somiglianze e differenze con i BHs e anche per confrontare tra di loro le sorgenti del campione analizzato.The aim of this PhD Thesis is the study of the high energy emission from Neutron Stars in Low Mass X-ray Binary (LMXB) systems. In particular I studied a subclasses of the Atoll, Bursting sources. The main emission processes of NS LMXBs are explained as due to a black body thermal emission coming from the accretion disk (or neutron star or boundary layer) that dominates in the soft energy band (0.1-10 keV) and a Comptonization component that dominates at higher energies (>20 keV). Neverthless, the complexity of the high energies features of the spectra make difficult to fully explain them. Moreover, in the past few years the observation of these systems revealed that they are high energy emitters with spectral state transition similarly to Black Hole (BH) systems. Lack of high energy cut-off indicating the possible correlation to radio emission and jets production as well as a reflection component has been recently reported in few cases. In spite of these evidences, still open questions remains, and a deep survey of their wide band behaviour was missed before INTEGRAL launch. I report here on the results of the study of the high energy emission from a selected sample of NS LMXBs, Atoll and bursters, in the Galactic Bulge: 4U 1608-522, GX 354-0, 4U 1722-30, 4U 1820-30, 4U 1812-12, XB 1832-330 and also 4U 1254-690. This sample is composed by sources with different characteristic, most of them are located in Globular Cluster, some are classified as transient source and some as persistent. The PhD consisted on the investigation of this sample, performing the scientific analysis of the INTEGRAL data. The work is first based in the monitoring of their X and Gamma behaviour through creation of the light curves in different energy bands to search for temporal variability; then, in the construction of the hardness-intensity diagrams; finally in a detailed spectral extraction, performed to determine the physical parameters dominating the spectral features. In same cases we use also data from other satellites (BeppoSAX and RXTE). Scientific results can be summarized as follows: Confirmation that the NS LMXBs systems are objects with a high energy emission extending up to 200-300 keV. The sources 4U 1812-12, XB 1832-330, 4U 1254-690 showed a persistent behaviour with the comptonizated high energy emission up to 200 keV. The source 4U 1820-30, 4U 1608-522, 4U 1722-30 and GX 354-0 showed spectral changes. In particular for the source 4U 1820-30 was detected for the first time an high energy emission characterized by the presence of a hard tail extended above 50 keV during the hard state. This hard tail could be due to syncrotron emission correlated with radio emission of a jet, or more probably, by a thermal/non-thermal comptonization emission.A similar hard tail emission was also detected from the Hard state of GX 354-0. Finally, we re-constructed, for all the source-spectral states detected, the "Bursters Box", i.e a diagrams that compares the source luminosity in the energy band 4-10 keV with the 20-200 keV one. This is devoted to discern the similarities and differences with BHs and also to compare amongst themselves the sources sample