Observing the VHE Gamma Ray Sky with the MAGIC Telescopes: the Blazar B3 2247+381 and the Crab Pulsar

Abstract

El objetivo de esta tesis es ampliar nuestra comprensión de la física de dos clases de fuentes astrofísicas entre las más importantes emisoras de radiación no-térmica: blazars y púlsares. En particular, la tesis relata sobre la observación del blazar B3 2247 381 y el púlsar del Cangrejo. Este estudio se llevó a cabo mediante la medición de rayos gamma por encima de ~50 GeV con los telescopios MAGIC. Las dos clases de fuentes incluidas en esta tesis no están fuertemente relaccionadas, sin embargo, representan dos ejemplos interesantes de cómo observaciones de rayos gamma en una gama de energía cerca del umbral de MAGIC puedan conducir a avances en la comprensión de los mecanismos de emisión, y a veces a descubrimientos sorprendentes. Los blazares son galaxias activas con un chorro relativista propulsado por su agujero negro central y dirigido hacia el observador. La emisión de rayos gammas procede de partículas cargadas aceleradas en el chorro. El tipo de partículas aceleradas, la posición de la emisión y el mecanismo de aceleración son algunas de las preguntas abiertas sobre los blazars. Además, su observación puede proporcionar límites sobre la luz de fondo extragaláctica (EBL), importante para comprender la formación y evolución de las primeras galaxias. B3 2247+381 ya se observó con MAGIC en el modo monoscópico en 2006, pero no fue detectado. En 2009, el comienzo de las observaciones estereoscópicas mejoró la sensibilidad de MAGIC, y se propuso su re-observación. Se detectó en Octubre de 2010, conseguentemente se determinó su espectro por encima de 200 GeV. No se encontró variabilidad. Esta evidencia, junto con las observaciones en otras longitudes de onda, se interpretó mediante un simple modelo Synchrotron Self Compton (SSC) a una zona con parámetros similares a los adoptados por otros blazars. Aunque B3 2247+381 no sea una fuente sorprendente,estos resultados conferman de la validez de modelo SSC y amplian la base de datos disponibles para estudios de EBL y de población. Los púlsares son estrellas de neutrones altamente magnetizadas, que girando emiten pulsos de radiación electromagnética en todas las longitudes de onda. Hasta hace poco, no se había detectado ningun púlsar por encima de 100 GeV, de acuerdo con la las predicciones del modelo “outer gap” (OG) de un corte exponencial en el espectro de energía alrededor de algunos GeV. MAGIC observó el púlsar del Cangrejo entre 2009 y 2011, recogiendo 73 horas de datos stereo de buena calidad. Un plug-in para el software de timing TEMPO2 fue escrito para calcular las fases de los succesos mediante efemérides radio. La análisis fue adaptada para obtener un bajo umbral de energía. Una pulsación significativa (>6.8 sigma) se detectó en el rango de energía 46-416 GeV. La curva de luz presenta dos picos (P1 y P2), en línea con los de energías más bajas, pero más estrechos y con proporción P1/P2 de 0,5. Los espectros de energía resueltos en fase continuan como una ley de potencia con un índice espectral de ~-4 hasta las energías más altas, en fuerte desacuerdo con todas predicciones. Un modelo OG ampliado interpreta esta emisión como procedente de inverse Compton scattering por pares secundarios y terciarios sobre fotones IR/UV. Otras explicaciones existen, algunas predicen características espectrales comprobables con más observaciones. Queda para averiguar si el Púlsar del Cangrejo es único en su clase o si la emisión de rayos gamma hasta centenares de GeV está presente en otros púlsares. Durante el transcurso de esta tesis también he trabajado activamente en el para la actualización de la camera y del sistema de lectura de datos de MAGIC, que asegurará observaciones más eficientes y más estables.

The goal of this thesis is to expand our understanding of the physics of two astrophysical source classes amongst the most prominent emitters of non-thermal radiation: blazars and pulsars. In particular, the thesis reports the observation of the blazar B3 2247+381 and the Crab pulsar. This study was carried out by measuring gamma-ray emission above ~50 GeV from these sources with the MAGIC telescopes. The two source classes covered in this thesis are not closely related, however they represent two interesting examples of how gamma-ray observations between 50 and few hundreds of GeV, an energy range close to the threshold of MAGIC, can lead to advancements in the understanding of the emission mechanisms, and sometimes to surprising discoveries. Blazars are a type of active galaxies with a relativistic jet powered by their central black hole and directed towards the observer. Gamma-ray emission originates from charged particles accelerated in the jet. The nature of the accelerated particles, the position of the emission and the acceleration mechanism are some of the open questions about blazars. Furthermore, their observation can provide indirect limits on the extragalactic background light (EBL), important for understanding early galaxy formation and evolution. B3 2247+381 was observed already by MAGIC in monoscopic mode in 2006, but eluded detection. In 2009, the commencement of stereoscopic observations enhanced the sensitivity of MAGIC, so it was proposed for re-observation. It was detected in October 2010, leading to the determination of its spectrum above 200 GeV. No significant variability could be found. This evidence, together with observations at other wavelengths, is interpreted using a simple one-zone Synchrotron Self Compton (SSC) model, with parameters similar to those adopted for other blazars. Even if B3 2247+381 was not a surprising source, these results confirm the validity of SSC models and enlarge the data base to be used in EBL and blazar population studies. Pulsars are highly magnetized, rotating neutron stars that emit periodic radiation at all wavelengths. Until recently, no pulsar was detected above 100 GeV, in agreement with the “outer gap” (OG) model predictions of an exponential cutoff in the energy spectrum at few GeV. For the Crab pulsar however, the presence of said cutoff was questioned in 2010 by MAGIC monoscopic measurement. MAGIC observed the Crab pulsar in stereoscopic mode between 2009 and 2011, collecting 73 hours of good quality data. A plug-in for the TEMPO2 timing software was written to calculate the event phases using radio ephemerides. The analysis cuts were customized to obtain the lowest energy threshold possible. A significant pulsation (>6.8 sigma) was detected in the energy range 46 - 416 GeV. The folded light curve shows two peaks (P1 and P2), aligned with the ones at lower energies, but narrower and with P1/P2 ratio of ~0.5. The phase-resolved gamma-ray energy spectra continue as a power-law with a spectral index ~-4 up to the highest energies, in stark disagreement with all predictions. An extended OG model interprets this emission as high-altitude inverse Compton scattering of secondary and tertiary pairs on IR/UV photons. Other explanations exists, some predicting spectral features testable with further MAGIC observations. It remains to be understood if the Crab pulsar is unique in its kind or if gamma-ray emission up to hundreds of GeV is present in other pulsars. During the course of this thesis I was also actively involved the work for the MAGIC camera and readout upgrade, which will assure more efficient and stabler observations in the future.