We study properties of luminous X-ray pulsars using a simplified model of the accretion column. The maximal possible luminosity is calculated as a function of the neutron star (NS) magnetic field and spin period. It is shown that the luminosity can reach values of the order of 1040 erg s−1 for the magnetar-like magnetic field (B ≳ 1014 G) and long spin periods (P ≳ 1.5 s). The relative narrowness of an area of feasible NS parameters which are able to provide higher luminosities leads to the conclusion that L ≃ 1040 erg s−1 is a good estimate for the limiting accretion luminosity of an NS. Because this luminosity coincides with the cut-off observed in the high-mass X-ray binaries luminosity function which otherwise does not show any features at lower luminosities, we can conclude that a substantial part of ultraluminous X-ray sources are accreting neutron stars in binary systems.

We present the first X-ray spectropolarimetric results for Cygnus X-1 in its soft state from a campaign of five IXPE observations conducted during 2023 May-June. Companion multiwavelength data during the campaign are likewise shown. The 2-8 keV X-rays exhibit a net polarization degree PD=1.99%+/-0.13% (68% confidence). The polarization signal is found to increase with energy across IXPE's 2-8 keV bandpass. The polarized X-rays exhibit an energy-independent polarization angle of PA=-25.7+/-1.8 deg. East of North (68% confidence). This is consistent with being aligned to Cyg X-1's AU-scale compact radio jet and its pc-scale radio lobes. In comparison to earlier hard-state observations, the soft state exhibits a factor of 2 lower polarization degree, but a similar trend with energy and a similar (also energy-independent) position angle. When scaling by the natural unit of the disk temperature, we find the appearance of a consistent trendline in the polarization degree between soft and hard states. Our favored polarimetric model indicates Cyg X-1's spin is likely high (a* above ~0.96). The substantial X-ray polarization in Cyg X-1's soft state is most readily explained as resulting from a large portion of X-rays emitted from the disk returning and reflecting off the disk surface, generating a high polarization degree and a polarization direction parallel to the black hole spin axis and radio jet. In IXPE's bandpass, the polarization signal is dominated by the returning reflection emission. This constitutes polarimetric evidence for strong gravitational lensing of X-rays close to the black hole.

Abstract We present volume-limited samples of cataclysmic variables (CVs) and AM CVn binaries jointly selected from SRG/eROSITA eRASS1 and Gaia DR3 using an X-ray + optical color–color diagram (the “X-ray Main Sequence”). This tool identifies all CV subtypes, including magnetic and low-accretion rate systems, in contrast to most previous surveys. We find 23 CVs, 3 of which are AM CVns, out to 150 pc in the Western Galactic Hemisphere. Our 150 pc sample is spectroscopically verified and complete down to L X = 1.3 × 10 29 erg s −1 in the 0.2–2.3 keV band, and we also present CV candidates out to 300 pc and 1000 pc. We discovered two previously unknown systems in our 150 pc sample: the third nearest AM CVn and a magnetic period bouncer. We find the mean L X of CVs to be 〈 L X 〉 ≈ 4.6 × 10 30 erg s −1 , in contrast to previous surveys which yielded 〈 L X 〉 ∼ 10 31 −10 32 erg s −1 . We construct X-ray luminosity functions that, for the first time, flatten out at L X ∼ 10 30 erg s −1 . We infer average number, mass, and luminosity densities of ρ N,CV = (3.7 ± 0.7) × 10 −6 pc −3 , ρ M = ( 5.0 ± 1.0 ) × 1  0 − 5  M ⊙ − 1 , and ρ L X = ( 2.3 ± 0.4 ) × 1  0 26   erg   s − 1  M ⊙ − 1 , respectively, in the solar neighborhood. Our uniform selection method also allows us to place meaningful estimates on the space density of AM CVns, ρ N,AM CVn = (5.5 ± 3.7) × 10 −7 pc −3 . Magnetic CVs and period bouncers make up 35% and 25% of our sample, respectively. This work, through a novel discovery technique, shows that the observed number densities of CVs and AM CVns, as well as the fraction of period bouncers, are still in tension with population synthesis estimates.

Supersoft X-ray sources (SSSs) are thought to be accreting white dwarfs (WDs) in close binary systems, with thermonuclear burning on their surfaces. The SSS RX J$0513.9-6951$ in the Large Magellanic Cloud (LMC) exhibits cyclic variations between optical low and high states, which are anti-correlated with its X-ray flux. This behaviour is believed to be the result of the periodic expansion and contraction of the WD due to variations in the accretion rate in the system. We analyse the eight high-resolution XMM and six grating Chandra spectra of RX J$0513.9-6951$ with our grid of model atmosphere spectra of hot WDs computed under the assumption of local thermodynamic equilibrium. Our aim is to test a contraction model of the source variability by tracking the evolution of the WD properties. We use a recently computed grid of hot WD model atmospheres, spanning a wide range of effective temperatures (Teff=100-1000 kK in steps of $25 kK$) and eight values of surface gravity. The LMC chemical composition of the atmospheres was assumed. The obtained fitting parameters (effective temperature Teff, surface gravity log and bolometric luminosity L) evolve on the Teff - and Teff - L planes. This evolution follows the model tracks of WDs with masses of 1.05-1.15,M_ and thermonuclear burning on the surface. We show that, when the source has a relatively small photospheric radius and is optically bright, it lies below the stable-burning strip with a relatively low bolometric luminosity. Conversely, the fainter optical states correspond to higher bolometric luminosity and larger photospheric radii of the hot WD. RXJ0513 lies within the stable-burning strip during this state. This means that the optical brightness of the system is lower when the WD is larger, more luminous, and illuminates the accretion disc more effectively. These results contradict the contraction model, which predicts the opposite behaviour of the source. We use a model that assumes that the far UV/soft X-ray flux is reprocessed into the optical band due to multiple scattering in the cloud system above the accretion disc. More significant illumination can lead to rarefying of the cloud slab, thereby reducing the reprocessing efficiency and making the source fainter in the optical band.

Supersoft X-ray sources (SSSs) are accreting white dwarfs (WDs) with stable or recurrent thermonuclear burning on their surfaces. High-resolution X-ray spectra of such objects are rather complex, often consist of several components, and are difficult to interpret accurately. The main emission source is the hot surface of the WD and the emergent radiation can potentially be described by hot WD model atmospheres. We present a new set of such model atmosphere spectra computed in the effective temperature range from 100 kK to 1000 kK, for eight values of surface gravity and three different chemical compositions. These compositions correspond to the solar one as well as to the Large and Small Magellanic Clouds, with decreased heavy element abundances, at one-half and one-tenth of the solar value. The presented model grid covers a broad range of physical parameters and, thus, it can be applied to a wide range of objects. It is also publicly available in XSPEC format. As an illustration, we applied it here for the interpretation of Chandra and XMM grating spectra of two classical SSSs, namely, CAL 83 (RX J0543.5–6823) and RX J0513.9–6951. The obtained effective temperatures and surface gravities of T eff ≈ 560 kK, log g ≈ 8.6–8.7, and T eff ≈ 630 kK, log g ≈ 8.5–8.6, respectively, are in a good agreement with previous estimations for both sources. The derived WD mass estimations are within 1.1–1.4 M ⊙ for CAL 83 and 1.15–1.4 M ⊙ for RX J0513.9–6951. The mass of the WD in CAL 83 is consistent with the mass predicted from the respective model of recurrent thermonuclear burning.

Classical novae are known to demonstrate a supersoft X-ray source (SSS) state following outbursts. This state is associated with residual thermonuclear burning on the white dwarf (WD) surface. During its all-sky survey (eRASS1), the eROSITA telescope on board the Spectrum-Roentgen-Gamma observatory discovered a bright new SSS, whose position is consistent with the known classical nova AT 2018bej in the Large Magellanic Cloud. There were two eROSITA spectra obtained during the eRASS1 and eRASS2 monitoring epochs and one XMM-Newton grating spectrum close to the eRASS1 epoch. We aim to describe the eROSITA and follow-up XMM-Newton spectra of AT 2018bej with our local thermodynamic equilibrium (LTE) atmosphere models. We focussed on the evolution of the hot WD properties between the eRASS1 and eRASS2 epochs, especially with respect to the change in carbon abundance. A grid of LTE model atmosphere spectra was calculated for different values of the effective temperature (from $ = 525$ to $700\ kK$ in steps of $25\ kK$), surface gravity (six values), and chemical composition, assuming approximately equal hydrogen and helium number fractions, and five different values of carbon and nitrogen abundances. Both eRASS1 and XMM\, $0.3-0.6$ keV spectral analyses yield a temperature of the WD of $ sim kK$ and a WD radius of $8000-8700\ km$. A simultaneous fitting of the eROSITA spectra for two epochs (eRASS1 and eRASS2) with a common WD mass parameter demonstrates a decrease in Teff accompanied by an increase in the WD radius and a decrease in the carbon abundance. However, these changes are marginal and remain within the errors. The derived WD mass is estimated to be $1.05-1.15\, M_ sun$. We traced a minor evolution of the source on a half-year timescale accompanied by a decrease in the carbon abundance and concluded that LTE model atmospheres can be used to analyse the available X-ray spectra of classical novae during their SSS state.