X-ray emission from the magnetic polar caps of old rotation-powered pulsars

Le stelle di neutroni sono il risultato dell'evoluzione di stelle massive dopo l'esplosione di supernova. Il progetto di questa Tesi di PhD consiste nello studio dell'emissione di raggi X da parte di stelle di neutroni isolate di età superiore a 100000 anni. Sono stati analizzati dati provenienti dal satellite XMM-Newton (ESA). Per estrarre la miglior informazione possibile dai dati, ho implementato un metodo di maximum likelihood (ML) e l'ho utilizzato per estrarre spettri e profili pulsati di pulsar vecchie in banda X, che poi sono stati analizzati con raffinati di emissione. La Tesi è strutturata come segue: nei primi tre capitoli illustro le proprietà principali delle stelle di neutroni, con particolare attenzione ai processi termici e non termici che producono raggi X. I raggi X non termici sono prodotti da particelle relativistiche accelerate da campi elettromagnetici; una frazione di queste particelle viene accelerata verso la superficie della stella, e riscalda le zone delle calotte polari magnetiche. La componente termica, che può essere prodotta dall'intera superficie o da una parte, viene solitamente descritta come un corpo nero; tuttavia, la presenza di intensi campi magnetici superficiali influenza le proprietà della materia, e la radiazione emessa è ampiamente anisotropa. Nel Capitolo 4 descrivo come ho generato spettri e profili pulsati sintetici, utilizzando modelli di emissione che considerano calotte polari ricoperte di un'atmosfera di idrogeno magnetizzata. Mi sono basata su un software esistente che, dato un certo set di parametri relativi alle proprietà fisiche della stella, stima l'intensità della radiazione prodotta. Successivamente, esso somma i contributi degli elementi di superficie che sono visibili all'osservatore alle differenti fasi di rotazione. Quindi, nel Capitolo 5 descrivo come ho implementato un software di analisi che si basa sul metodo di ML. Dato un certo modello, esso stima i parametri più probabili che ricostruiscono
Neutron stars are the remnants of massive stars whose cores collapse during the supernova explosions. The project of this PhD Thesis consisted in the study of the X-ray emission from isolated neutron stars older than about 100000 years. The work was based mainly on data obtained with the XMM-Newton satellite (ESA). To extract the best possible information from the data, I implemented a maximum likelihood (ML) technique and used it to derive the X-ray spectra and pulse profiles of several old pulsars, that were then studied with state-of-the-art models of X-ray emission. The Thesis is structured as follows: in the first three chapters I outline the main properties of neutron stars, with a major focus on the thermal and nonthermal processes that produce X-rays. The nonthermal X-rays are produced by relativistic particles accelerated by rotation-induced electric fields and moving along the magnetic field lines. A fraction of these particles is accelerated backward and returns on the stellar surface, heating the magnetic polar caps. The thermal component, that can be produced by the whole stellar surface or by small hot spots, can be described, in a first approximation, by a blackbody. However, the presence of intense surface magnetic fields strongly affects the properties of matter, and the emergent radiation is widely anisotropic. In Chapter 4, I describe how I generated synthetic spectra and pulse profiles using thermal emission models that consider polar caps covered by a magnetized hydrogen atmosphere or with a condensed iron surface. I relied on an existing software that, given a set of stellar parameters, evaluates the emerging intensity of the radiation. A second software, which I adapted on the sources I analyzed in the Thesis, collects the contribution of surface elements which are in view at different rotation phases from a stationary observer. Then, in Chapter 5, I describe how I implemented an analysis software that relies on the ML method. It estimates the