Outflows in Black Hole X-ray binaries

Outflows are among the most important and complex phenomena shaping both the evolution and the observational appearance of black hole X-ray binaries (BH XRBs). In these systems, accretion onto a compact object is often accompanied by powerful mass-loss processes in the form of disk winds and relativistic jets, whose presence and properties strongly depend on the accretion state. Understanding the physical origin of these outflows and their connection to the accretion flow is therefore essential to build a coherent picture of accretion–ejection coupling in XRBs. This thesis is devoted to the investigation of outflows in BH XRBs through a multi-approach study combining multi-wavelength observations with physically motivated modelling. The main goal is to constrain the geometry, physical conditions, and variability of winds and compact jets, and to assess their impact on the observed emission across different spectral states.The first project described in the thesis focuses on the study of cold disk winds through high-resolution optical spectroscopy of the BH XRB MAXI~J1305--704. While clear and unambiguous wind signatures could not be firmly established in the optical band, the analysis revealed absorption and emission features whose properties are consistent with a complex and variable environment. In the second part of the project, I show how a new approach that use X-ray modelling on optical spectra can provide constraints on the inclination of the system.The second project is dedicated to the analysis of an obscured spectral state in the highly variable BH XRB GRS~1915+105. Using broadband X-ray spectroscopy, I study the effects of absorption and scattering on the observed emission and explore the physical origin of the obscuring material. The results favour an interpretation in which the obscuring medium is best explained by a warped accretion disk, rather than by a uniform absorber or a purely wind-driven structure, in agreement with theoretical and observational expectations for systems accreting at high luminosities.The third project investigates compact jets, the most persistent form of outflow in BH XRBs during hard intermediate states. I model the broadband spectral energy distribution (SED) of the BH XRB MAXI~J1535--571 using an updated internal shocks code, which links the observed X-ray variability to the dissipation of kinetic energy along the jet. By exploring different jet geometries, this work finds that a parabolic jet geometry provides the best description of the broadband emission of MAXI~J1535--571. The possible contribution of the jet to the soft gamma-ray emission is also investigated. Although a jet origin cannot be formally excluded from spectral modelling alone, the required physical conditions are extreme, favouring instead a non-thermal Comptonization origin of the high-energy tail in the corona.

Gli outflows rappresentano tra i fenomeni più importanti e complessi che modellano sia l’evoluzione sia l’aspetto osservativo delle binarie X a buco nero (BH XRBs). In questi sistemi, l’accrescimento su un oggetto compatto è spesso accompagnato da potenti processi di perdita di massa sotto forma di venti di disco e getti relativistici, la cui presenza e le cui proprietà dipendono fortemente dallo stato di accrescimento. Comprendere l’origine fisica di questi outflows e la loro connessione con il flusso di accrescimento è quindi essenziale per costruire un quadro coerente dell’accoppiamento accrescimento–espulsione nelle XRBs. Questa tesi è dedicata allo studio degli outflows nelle BH XRBs attraverso un approccio multiplo che combina osservazioni multi-banda con modellizzazione fisicamente motivata. L’obiettivo principale è vincolare la geometria, le condizioni fisiche e la variabilità di venti e getti compatti, e valutarne l’impatto sull’emissione osservata nei diversi stati spettrali.Il primo progetto descritto nella tesi si concentra sullo studio dei venti freddi di disco attraverso spettroscopia ottica ad alta risoluzione della BH XRB MAXI~J1305--704. Sebbene non sia stato possibile identificare in modo inequivocabile firme di vento nella banda ottica, l’analisi ha rivelato caratteristiche in assorbimento ed emissione le cui proprietà sono compatibili con un ambiente complesso e variabile. Nella seconda parte del progetto mostro come un nuovo approccio, che utilizza modelli sviluppati per i dati X in applicazione a spettri ottici, possa fornire vincoli sull’inclinazione del sistema.Il secondo progetto è dedicato all’analisi di uno stato spettrale oscurato nella BH XRB altamente variabile GRS~1915+105. Attraverso spettroscopia X a larga banda, studio gli effetti dell’assorbimento e della diffusione sull’emissione osservata ed esploro l’origine fisica del materiale oscurante. I risultati favoriscono un’interpretazione in cui il mezzo oscurante è spiegato al meglio da un disco di accrescimento deformato (warped), piuttosto che da un assorbitore uniforme o da una struttura puramente guidata da un vento, in accordo con le aspettative teoriche e osservative per sistemi che accrescono ad alta luminosità.Il terzo progetto indaga i getti compatti, la forma più persistente di outflow nelle BH XRBs durante gli stati hard intermediate. Modello la distribuzione spettrale di energia (SED) a larga banda della BH XRB MAXI~J1535--571 utilizzando una versione aggiornata di un codice a shock interni, che collega la variabilità osservata nei raggi X alla dissipazione di energia cinetica lungo il getto. Esplorando diverse geometrie del getto, questo lavoro mostra che una geometria parabolica fornisce la descrizione migliore dell’emissione a larga banda di MAXI~J1535--571. Viene inoltre investigato il possibile contributo del getto all’emissione nei gamma soffici. Sebbene un’origine legata al getto non possa essere formalmente esclusa sulla sola base della modellizzazione spettrale, le condizioni fisiche richieste risultano estreme, favorendo invece un’origine da Comptonizzazione non termica nella corona per la componente ad alta energia.