X-Ray Binaries and Ultraluminous X-Ray Sources

W mojej pracy zbadałem populację rentgenowskich układów podwójnych (XRB; ang. X-ray binaries) i ultrajasnych układów rentgenowskich (ULX; ang. ultraluminous X-ray sources) pod kątem kilku problemów współczesnej astrofizyki. Główną metodą pracy jaką stosowałem była synteza populacji. Pozwala ona na bardzo kompleksowe porównanie przewidywań modeli teoretycznych z obserwacjami. Wyniki poprzedziłem wprowadzeniem przedstawiającym fundamentalną wiedzę na temat układów XRB i ULX. Na początku podszedłem do problemu przerwy w rozkładzie mas obiektów zwartych (ang. the mass gap), czyli ich braku w zakresie 2 – 5 M . Pokazałem, że wprowadzenie modelu szybkich wybuchów supernowych pozwala na naturalne wytłumaczenie podziału między gwiazdami neutronowymi a czarnymi dziurami. Następnie, zbadałem fazę wspólnej otoczki. Jest to bardzo ważny proces z punktu widzenia ewolucji układów podwójnych, ale wciąż słabo zrozumiany. W mojej pracy pokazałem, że choć wspólna otoczka jest konieczna dla utworzenia układu XRB, żaden z aktualnie używanych modeli tego zjawiska nie pozwala na uzyskanie zgodności z obserwacjami. Zanalizowałem również proces tworzenia się najjaśniejszych układów ULX. Pokazałem, że jest jak najbardziej możliwe by otrzymać transfer masy wystarczający do uzyskania tak wysokiej jasności w układach XRB. Faza tej wzmożonej emisji jest bardzo krótka, ale zachodzi podczas ewolucji bardzo dużej ilości systemów. Na koniec, zaprezentowałem wstępne rezultaty badań nad modelami akrecji w układach ULX. Porównałem syntetyczne populacje bazujące na naszej najlepszej wiedzy o procesach astrofizycznych z aktualnie dostępnymi obserwacjami. Te badania mają na celu lepsze zrozumienie natury układów ULX i procesów prowadzących do ich powstawania.

In this thesis I investigate the population of X-ray binaries (XRB) and ultraluminous X-ray sources (ULX) in order to approach several contemporary astrophysical conundrums. My main method of analysis is the population synthesis, which allows for a comprehensive comparison of theoretical models and observations. I provide an introduction with fundamental knowledge concerning XRBs and ULXs. Firstly, I approach a problem of the mass gap, i.e., the lack of compact objects with masses between 2 5 M . I show that the rapid supernova explosion mechanism can provide a natural explanation for the observed separation between neutron stars and black holes. Afterwards, I investigate the common envelope. This important phase of evolution of binaries still escapes the grasp of our understanding. I show that, although the common envelope phase is essential for the formation of XRB, none of currently available models is able to reproduce the observations. I analyse also the formation of the most luminous ULXs. I show that it is possible to obtain mass transfer rates high enough to power such a source in regular XRBs. The phase of powerful emission will be very short but present in the evolution of numerous systems. Finally, I present the preliminary results of the investigation of accretion models in the context of the ULX population. I compare the synthetic population, which is based on our best knowledge of astrophysical processes, with the observations in order to understand the nature and formation processes of these systems.