(gamma)-ray emission from regions of star formation: Theory and observations with the MAGIC Telescope

Abstract

Es el propósito de esta tesis estudiar la posibilidad de que regiones con importante actividad en formación estelar sean fuentes de rayos gamma para los actuales y futuros detectores, ya sean detectores de rayos gamma con base en satélites como telescopios Cherenkov situados en la superficie terrestre.<br/>Tras una evaluación fenomenológica positiva de que la emisión de rayos gamma procedente de galaxias con elevada actividad en formación estelar (como las llamadas starburst o las galaxias ultra luminosas en el infrarrojo) esté cerca de la sensibilidad de los actuales detectores de rayos gamma, se han desarrollado y presentado modelos detallados de la emisión difusa multifrecuencia procedente de los dos mejores candidatos, NGC 253 y Arp 220. Se predice que ambas galaxias serán detectables para GLAST, el próximo satélite de rayos gamma con una sensibilidad sin precedentes, y por HESS y MAGIC, los actuales telescopios Cherenkov con mayor sensibilidad, en caso de que éstos dediquen suficiente tiempo de observación a estas galaxias.<br/>En la parte teórica de la tesis se describe también un modelo que propone la emisión de importantes flujos de rayos gamma en regiones de formación estelar dentro de nuestra Galaxia, como serían las asociaciones de estrellas jóvenes del tipo OB. El modelo considera la emisión de rayos gamma a energías cercanas a los TeV mediante interacciones hadrónicas en el sí de vientos estelares de algunas de las estrellas de la asociación, prediciendo a la vez que la emisión a bajas energías está sustancialmente suprimida debido al efecto de modulación que la población de rayos cósmicos primarios sufre al penetrar en el viento estelar. Se discuten brevemente los mejores candidatos entre las asociaciones OB galácticas conocidas.<br/>Finalmente, la tesis recoge un primer análisis de los datos tomados por el Telescopio MAGIC durante la observación de dos regiones de formación estelar. Por una parte, la galaxia ultra luminosa en el infrarrojo más cercana, Arp 220. Por otra parte, TeV J2032+4130, que aún hoy en día sigue siendo una fuente no identificada, y cuyo origen se ha relacionado con la poderosa asociación estelar Cygnus OB2 en repetidas ocasiones. Ninguna de las observaciones ha implicado detección, en consecuencia, se han impuesto límites superiores al flujo de rayos gamma procedente de las fuentes observadas. Sin embargo, a pesar de las pocas horas de observación incluidas en el presente análisis, los límites superiores impuestos por el Telescopio MAGIC para la fuente TeV J2032+4130 están prácticamente al nivel del flujo que el experimento HEGRA detectó para dicha fuente, de manera que un análisis extendido al conjunto completo de datos disponibles, así como futuras observaciones de más larga exposición con el Telescopio MAGIC, podrían proveer resultados interesantes.

Was the aim of this thesis to study the possibility that regions with important activity in star formation may appear as sources of gamma-rays for the current and near future gamma-ray detectors, both ground and space-satellite based. <br/>After a phenomenological positive evaluation of the fact that the gamma-ray emission from galaxies prone of star formation processes (as starburst or ultra luminous infrared galaxies) may be close to the flux sensitivities of the current gamma-ray telescopes, detailed models of the multiwavelength diffuse emission from the two best candidates, NGC 253 and Arp 220, have been presented. It is predicted that they will be detectable by GLAST, the next largest gamma-ray satellite, and by HESS and MAGIC, the current more sensitive Cherenkov Telescopes, in case enough observation time is devoted. <br/>On the other hand, within this thesis it is described a model which proposes the emission of important fluxes of gamma-rays from regions of star formation within our Galaxy, as the stellar association of young OB stars. The model considers the emission of gamma-rays close to TeV energies by hadronic interactions within the stellar winds of some of the stars of the association, predicting at the same time that the emission at lower energies is substantially suppressed due to the modulation effects that the incoming population of primary cosmic rays suffers when penetrating the winds. The best candidates among the galactic OB associations are briefly discussed.<br/>Finally, a first analysis of the data taken by the MAGIC Telescope when observing two of these regions of star formation is described. On one hand, the closest ultra luminous infrared galaxy, Arp 220. On the other, TeV J2032+4130, which is still an unidentified source whose origin has been several times related to the powerful stellar OB association Cygnus OB2. Any of both observations has implied detection, and upper limits to the gamma-ray flux have been imposed. However, although the few hours of observation included in the present analysis, the MAGIC upper limits for TeV J2032+4130 are nearly at the level of the flux detected by the HEGRA experiment, so an analysis extended to the complete set of data available as well as deeper observations of this source with the MAGIC Telescope can provide promising results.