Gamma-ray emission of young stellar objects and discovery of superorbital variability at high energies

Abstract

Se puede dividir mi tesis en tres partes: 1. Estudios de la emisi.n gamma de los sistemas binarios LS I +61 303 y LS 5039 a altas energ.as con el Fermi Large Area Telescope (LAT) y el primer descubrimiento de variabilidad superorbital a altas energ.as de la fuente LS I +61 303 Los sistemas binarios de rayos gamma son sistemas estelares cuyo espectro tiene su máximo a altas energías (sin tener en cuenta su emisión térmica). Ha sido detectada desde radio hasta rayos gamma (TeV), el sistema binario LS I +61 303 es muy variable en todas las frecuencias. Una característica de la variabilidad de este sistema es la modulación de su emisión a 26.496 días que coincide con su período orbital. En esta tesis mostramos por primera vez que la emisión gamma de LS I +61 303 presenta también una variabilidad superorbital con un período de 1667 días. Esta modulación es más presente en fases orbitales alrededor de apastro, aunque no introduce un cambio visible cerca de periastro. Además, se observa una aparición y desaparición de la variabilidad orbital en el espectro de potencias de los datos. Este comportamiento se puede explicar por una evolución cuasi-°©‐cíclica del disco ecuatorial de la estrella acompañante (estrella Be) cuyas características influyen en las condiciones para generar rayos gamma. Estos descubrimientos abren por primera vez la posibilidad de usar observaciones de rayos gamma para estudiar los discos de estrellas masivas en sistemas binarios excéntricos. 2. Estudios de la emisi.n gamma de magnetares a altas y muy altas energ.as con el LAT y con los telescopios Cherenkov MAGIC Los magnetares son una clase particular de estrellas de neutrones que muestran emisión desde radio hasta unos centenares de keV. Se pueden caracterizar por sus explosiones de rayos X y por sus perdidas de energía, las cuales son demasiado pequeñas para justificar su luminosidad en rayos X. Por esta razón, la teoría más aceptada es que la emisión X de la estrella de neutrones está suministrada por el decaimiento y las inestabilidades de sus altos campos magnéticos. En esta tesis, estos objetos han sido estudiados por primera vez a altas y a muy altas energías con el LAT y con los telescopios MAGIC. Hemos impuesto las primeras cotas a la posible emisión gamma de estos objetos. Además, este fuerte diagnóstico observacional fuerza una revisión del espacio de parámetros aplicable a la visibilidad del modelo de “outer gap” de Cheng & Zhang (2001) and Zhang & Cheng (2002) para cada magnetar. 3. Predicciones para la astronom.a Cherenkov con los telescopios CTA La siguiente generación de telescopios Cherenkov será CTA. Este experimento está ahora en la fase de diseño. En esta tesis, evaluamos las capacidades de CTA para estudiar la física no-°©‐térmica de sistemas binarios de rayos gamma. Eso requiere la observación de fenómenos a altas energías a tiempos y a escalas espaciales diferentes. Para hacer eso, hemos estudiado los sistemas binarios de rayos gamma en el contexto de la física conocida o esperada de estas fuentes. CTA será capaz de demostrar los procesos físicos detrás de la emisión gamma en sistemas binarios con una resolución espectral, temporal y espacial alta. Además crecerá el número de fuentes detectadas significativamente. Hemos observado que la sensibilidad de CTA conseguirá un muestreo de curvas de luz y espectros a escalas de tiempo muy cortas de alta calidad. Además, se podrá monitorear fuentes a tiempo largo usando una parte de los telescopios que todavía alcanzará una sensibilidad 2 o 3 veces mayor que cualquier instrumento actual operando a muy altas energías. En particular, es notable que CTA reducirá la indeterminación de los flujos e índices espectrales en unos cuantos factores.

My thesis can be divided into three parts: 1. Study of the gamma-­ray emission of the binary systems LS I +61 303 and LS 5039 at high energies with the Fermi Large Area Telescope (LAT) and the first discovery of superorbital variability at high energies from the source LS I +61 303. Gamma-­‐ray binaries are stellar systems for which the spectral energy distribution (discounting the thermal stellar emission) peaks at high energies. Detected from radio to TeV gamma rays, the gamma-­‐ray binary LS I +61 303 is highly variable across all frequencies. One aspect of this system's variability is the modulation of its emission with the timescale set by the 26.496-­‐day orbital period. In this thesis we show for the first time that the gamma-­‐ray emission of LS I +61 303 also presents a sinusoidal variability at the known superorbital period of 1667 days. This modulation is more prominently seen at orbital phases around apastron, whereas it does not introduce a visible change close to periastron. It is also found in the appearance and disappearance of variability at the orbital period in the power spectrum of the data. This behavior could be explained by a quasi-­‐cyclical evolution of the equatorial outflow of the Be companion star, whose features influence the conditions for generating gamma rays. These findings open for the first time the possibility to use gamma-­‐ray observations to study the outflows of massive stars in eccentric binary systems. 2. Study of the gamma-­ray emission of magnetars at high and very high energies with the LAT and the MAGIC Cherenkov telescopes. Magnetars are a peculiar class of neutron stars showing emission from radio up to some hundreds of keV. They can be characterized through their bursting behavior and through an energy loss rate, which is too small to power their X-­‐ray luminosity. Therefore, it is believed that the X-­‐ray emission of the neutron star is powered by the decay and the instabilities of their strong magnetic field. In this thesis, these objects are studied for the first time at high and very high energies with the LAT and the MAGIC telescopes. We put the first constraints on their emission in this high energy regime. Furthermore, this strong observational diagnostic forces a revision of the parameter space applicable for the viability of the outer gap model of Cheng & Zhang (2001) and Zhang & Cheng (2002) to each magnetar. 3. Prospects for the Cherenkov astronomy with the future Cherenkov Telescope Array (CTA). The next generation of Imaging Air Cherenkov Telescopes will be CTA. This experiment is nowadays in the design phase. In this thesis we evaluate the potentialities of CTA to study the non-­‐thermal physics of gamma-­‐ray binaries, which requires the observation of high-­‐energy phenomena at different time and spatial scales. To do so we study gamma-­‐ray binaries in the context of the known or expected physics of these sources. CTA will be able to probe with high spectral, temporal and spatial resolution the physical processes behind the gamma-­‐ray emission in binaries, significantly increasing as well the number of known sources. We found that the sensitivity of CTA will lead to a very good sampling of light curves and spectra on very short timescales. It will allow as well long source monitoring using subarrays, still with a sensitivity 2–3 times better than any previous instrument operating at VHE energies. In particular, it is noteworthy that CTA will reduce by a factor of a few the errors in the determination of fluxes and spectral indexes.