High energy processes in young stellar objects and high-mass X-ray binaries

Abstract

The high energy astrophysics, specifically the gamma-ray astrophysics, studies the processes that cannot be caused by hot matter but by other mechanisms colled non thermaland processes, which involve matter with energies above ~ 1 MeV.

There are currently a number of instruments able to detect this radiation, such as AGILE and Fermi satellites or Cherenkov telescopes like MAGIC at the Earth's surface.

In this thesis we studied two main types of systems that, as it has been observed or theoretically predicted, can produce gamma radiation : young stellar objects and high-mass X-ray binaries.

Young stellar objects are found in regions of star formation, which are the cradles where new stars are being formed. The star-forming regions are populated with protostars and young stars, among other objects. Protostars still accrete matter from the parent cloud through an accretion disk, while expelling material through a jet formed by magnetic interaction. In these jets the particles are ejected at high speeds out of the system and in some cases reach relativistic velocities, as evidenced by the detection of non-thermal radio emission in some of these objects. In this thesis we are interested to find more evidence of young stellar objects that present non-thermal emission, either in the range of X-rays or gamma rays. To find new candidates have used the first catalog of the Fermi satellite and the catalogs of young systems in our Galaxy.

Besides the search through catalogs, we did a study using archival X-ray XMM-Newton data on the young stellar object IRAS 16547-4247, which is known to display non-thermal radio emission. This object is a protostar still accretes material through an accretion disk and also ejects jets of material through particle. We discovered its X-ray counterpart and studied the interaction of its jets through a theoretical model.

Finally, we studied a region of star formation that has been found in spatial coincidence with a second Fermi source catalog, known as Monoceros R2 . We analyzed the Fermi data from this source and our results allow us to say that the detected gamma-ray emission is consistent with that expected by the collective effects of a population of protostars.

Among the other large block of this thesis there are high-mass X-ray binares. The most relevant of which we have studied is MWC 656. This system consists of a Be star and a black hole, a combination that has never been detected before. We have observed this source with XMM-Newton in X-rays and with the MAGIC Telescopes in very high energy gamma rays. Our X-ray observation has led to the discovery of the X-ray counterpart of this binary system and has allowed us to classify it as a high-mass X-ray binary, the first composed of a Be star and a black hole.

Other systems we studied with MAGIC are HESS J0632 +057 and SS 433. HESS J0632 +057 is a binary system consisting of a Be star and a compact object of unknown nature and was identified by us as a gamma-ray emitter.

We have also observed SS 433, the first microquasar ever discovered. We observed this source during 2010 May and June, but it has not been detected. We have calculated upper limits to the emission of very high energy gamma-rays to put constraints on the physical parameters of the system.

L'astrofísica d'altes energies i en concret l'astrofísica de raigs gamma, estudia els processos d'emissió que no poden ser causats per matèria calenta, sinó per altres mecanismes que anomenem no tèrmics i que comporten que la matèria que emet aquesta radiació tingui energies per sobre d'1~MeV. Actualment disposem d'un bon nombre d'instruments capaços de detectar aquesta emissió, com ara els satèl•lits Fermi i AGILE o els telescopis Cherenkov com MAGIC, a la superfície terrestre.

En aquesta tesi hem estudiat principalment dos tipus de sistemes que, tal com s'ha observat o predit teòricament, poden produir radiació gamma: els objectes estel•lars joves i els sistemes binaris de raigs X d’alta massa.

Els objectes estel•lars joves els trobem a les regions de formació estel•lar, que són els bressols on noves estrelles s'estan formant. Els pobladors de les regions de formació estel•lar són les protoestrelles i les estrelles joves, entre altres objectes celests. Les protoestrelles encara acretem matèria del núvol progenitor a través d'un disc d'acreció, i al mateix temps expulsen material per mitjà d'uns dolls formats per interacció magnètica. En aquests dolls les partícules són expulsades a grans velocitats cap a fora del sistema i en alguns casos assoleixen velocitats relativistes tal com evidencia la detecció d'emissió ràdio no tèrmica en alguns d'aquests objectes. En aquesta tesi ens hem interessat per trobar evidència de més objectes estel•lars joves que presentin emissió no tèrmica, ja sigui en el rang dels raigs X o dels raigs gamma. Per a trobar nous candidats hem aprofitat el primer catàleg del satèl•lit Fermi i l'hem creuat amb catàlegs d'objectes joves de la Galàxia.

A més a més de la cerca per mitjà de catàlegs, hem fet un estudi en raigs X a partir de dades d'arxiu disponibles sobre un objecte estel•lar jove del que ja es coneix emissió no tèrmica en ràdio: IRAS 16547-4247. Aquest objecte és una protoestrella que encara acreta material per mitjà d'un disc d'acreció i que alhora expulsa material a través de dolls de partícules. Hem descobert la contrapartida en raigs X d'aquest sistema i l'hem estudiat per mitjà d'un model teòric.

Finalment, hem estudiat una regió de formació estel•lar que s'ha trobat en coincidència espacial amb una font del segon catàleg de Fermi, coneguda com Monoceros R2. Hem analitzat les dades de Fermi d'aquesta font i els nostres resultats ens permeten dir que l'emissió gamma detectada és compatible amb el que s'esperaria que produissin un conjunt de protoestrelles.

Dins de l'altre gran bloc d'aquesta tesi trobem les estrelles binàries de raigs X d'alta massa. El cas més rellevant dels que hem estudiat és el de MWC 656. Aquest sistema està format per una estrella Be i un forat negre, una combinació que mai s'havia detectat. Nosaltres hem observat aquesta font amb el telescopi de raigs X XMM-Newton i amb els Telescopis MAGIC, en raigs gamma de molt alta energia. La nostra observació de raigs X ha suposat la descoberta de la contrapartida de raigs X d'aquest sistema binari i ens ha permès classificar-la com a binària de raigs X d'alta massa, la primera composada per una estrella Be i un forat negre.

Altres sistemes que hem estudiat amb MAGIC són HESS J0632+057 i SS 433. HESS J0632+057 és un sistema binari format per una estrella Be i un objecte compacte de natura desconeguda i va ser detectat per nosaltres com a emissor de raigs gamma.

També hem observat SS 433, el primer microquàsar que es va descobrir. Hem observat aquesta font durant els mesos de maig i juny de 2010 però no s'ha detectat. Així, hem calculat límits superiors a l'emissió gamma de molt alta energia que serveixen per a posar restriccions en paràmetres físics.