Contents
ix
4.3.8 Swift J1756.9-2508 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162
4.3.9 Aql X-1 .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163
4.3.10 SAX J1748.9-2021 .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164
4.3.11 NGC 6440 X-2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165
4.3.12 IGR J17511-3057 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165
4.3.13 Swift J1749.4-2807 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166
4.3.14 IGR J17498-2921 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167
4.3.15 IGR J18245-2452 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167
4.4 Accretion Torques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168
4.4.1 Coherent Timing Technique .. . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172
4.4.2 Observations: Accretion Torques in AMXPs .. . . . . . . . . . . . . . 175
4.5 Pulse Profiles. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 180
4.5.1 Pulse Fractional Amplitudes and Phase Lags.. . . . . . . . . . . . . . 180
4.5.2 Pulse Shape Evolution . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182
4.6 Long Term Evolution and Pulse Formation Process . . . . . . . . . . . . . . . . . 183
4.6.1 Specific Sources .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183
4.6.2 The Maximum Spin Frequency of Neutron Stars . . . . . . . . . . 186
4.6.3 Why Do Most Low Mass X-ray Binaries Not Pulsate? . . . . 187
4.7 Thermonuclear Bursts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189
4.8 Aperiodic Variability and kHz QPOs . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194
4.9 Open Problems and Final Remarks . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 196
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197
5 Thermonuclear X-ray Bursts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 209
Duncan K. Galloway and Laurens Keek
5.1 Overview .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 210
5.1.1 Theory of Burst Ignition and Nuclear
Burning Regimes .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211
5.1.2 Status of Burst Observations . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 217
5.2 X-ray Burst Ignition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 221
5.2.1 Thin-Shell Instability and Electron Degeneracy .. . . . . . . . . . . 222
5.2.2 Reignition After a Short Recurrence Time . . . . . . . . . . . . . . . . . 222
5.2.3 Ignition Latitude . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 224
5.3 The Burst Spectral Energy Distribution . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 225
5.3.1 The Continuum Spectrum . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 225
5.3.2 Discrete Spectral Features . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 228
5.4 Interaction with the Accretion Environment . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 230
5.4.1 Reflection by the Accretion Disk. . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233
5.4.2 Anisotropic Emission .. . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 234
5.5 Burst Oscillations and the Neutron Star Spin . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 235
5.6 mHz Oscillations and Marginally Stable Burning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 236
5.6.1 Observations of mHz QPOs . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 237
5.6.2 Theoretical Interpretation: Marginally Stable Burning.. . . . 238
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4.3.8 Swift J1756.9-2508 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162
4.3.9 Aql X-1 .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163
4.3.10 SAX J1748.9-2021 .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164
4.3.11 NGC 6440 X-2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165
4.3.12 IGR J17511-3057 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165
4.3.13 Swift J1749.4-2807 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166
4.3.14 IGR J17498-2921 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167
4.3.15 IGR J18245-2452 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167
4.4 Accretion Torques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168
4.4.1 Coherent Timing Technique .. . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172
4.4.2 Observations: Accretion Torques in AMXPs .. . . . . . . . . . . . . . 175
4.5 Pulse Profiles. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 180
4.5.1 Pulse Fractional Amplitudes and Phase Lags.. . . . . . . . . . . . . . 180
4.5.2 Pulse Shape Evolution . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182
4.6 Long Term Evolution and Pulse Formation Process . . . . . . . . . . . . . . . . . 183
4.6.1 Specific Sources .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183
4.6.2 The Maximum Spin Frequency of Neutron Stars . . . . . . . . . . 186
4.6.3 Why Do Most Low Mass X-ray Binaries Not Pulsate? . . . . 187
4.7 Thermonuclear Bursts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189
4.8 Aperiodic Variability and kHz QPOs . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194
4.9 Open Problems and Final Remarks . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 196
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197
5 Thermonuclear X-ray Bursts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 209
Duncan K. Galloway and Laurens Keek
5.1 Overview .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 210
5.1.1 Theory of Burst Ignition and Nuclear
Burning Regimes .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211
5.1.2 Status of Burst Observations . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 217
5.2 X-ray Burst Ignition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 221
5.2.1 Thin-Shell Instability and Electron Degeneracy .. . . . . . . . . . . 222
5.2.2 Reignition After a Short Recurrence Time . . . . . . . . . . . . . . . . . 222
5.2.3 Ignition Latitude . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 224
5.3 The Burst Spectral Energy Distribution . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 225
5.3.1 The Continuum Spectrum . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 225
5.3.2 Discrete Spectral Features . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 228
5.4 Interaction with the Accretion Environment . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 230
5.4.1 Reflection by the Accretion Disk. . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233
5.4.2 Anisotropic Emission .. . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 234
5.5 Burst Oscillations and the Neutron Star Spin . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 235
5.6 mHz Oscillations and Marginally Stable Burning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 236
5.6.1 Observations of mHz QPOs . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 237
5.6.2 Theoretical Interpretation: Marginally Stable Burning.. . . . 238