Extreme particle acceleration in microquasar jets and pulsar wind nebulae with the MAGIC telescopes

Abstract

A lo largo de toda nuestra historia, los seres humanos nos hemos esforzado por descifrar los misterios con los que el Universo nos desafía. En nuestros humildes comienzos, esta tarea era realizada con nuestros ojos desnudos, mirando las estrellas y los planetas y preguntándonos qué tan lejos estaban y cómo se movían en el cielo nocturno. Durante muchos siglos, sólo el Universo visible fue accesible para nosotros, pero se obtuvieron logros extraordinarios a pesar de las limitadas herramientas: descubrimos, por ejemplo, que nuestro planeta no era el centro del Universo, gracias a las observaciones de Nicolaus Copernicus y su modelo heliocéntrico. Desde la época de Copernicus hasta ahora, el desarrollo de nuevas tecnologías y el avance de nuestra propia comprensión del Cosmos, nos ha permitido desentrañar mucho enigmas. Afortunadamente, esta curiosidad natural que nos lleva a mejorar nunca termina, y nos enfretamos a nuevas preguntas que desafían nuestra capacidad como científicos. En la presente tesis, me centro en una pequeña fracción de esta ciencia: la astronomía de rayos gamma. Dentro de este campo, estudio la aceleraci ón de partículas y los mecanismos de producción de rayos gamma en los jets relativistas de los denominados microcuásares y en shocks producidos en pleriones. En la Parte I de la tesis, presento una introducción al Universo no térmico, profundizando en los mecanismos de producción y absorción que gobiernan la emisión de rayos gamma. También introduzco los telescopios MAGIC, de los cuales se obtiene la mayor parte de los resultados de esta tesis. Otras técnicas de detección, como las empleadas en el Observatorio HAWC o por el satélite Fermi-LAT, son igualmente presentadas dado que sus resultados son empleados en la discusión de fuentes galácticas incluidas en esta tesis. Los logros científicos están incluidos en la Parte II y Parte II. En el primera, discuto los resultados de los tres mejores candidatos microcuásares para emitir rayos gamma a muy altas energías: Cygnus X-1, Cygnus X-3 y V404 Cygni. Investigo todos ellos haciendo uso de los datos de MAGIC durante campañas observacionales de larga duración o durante periodos de alta actividad. Por otra parte, con el fin de complementar los resultados a energías más bajas, analizo los datos de Fermi-LAT de Cygnus X-1, lo cual condujo a la detección del sistema en el régime de altas energ ías. Esto constituye la primer detección firme de rayos gamma a altas energías de un sistema binario compuesto por un agujero negro. La Parte III se centra en el estudio de pleriones. Analizo cinco fuentes pertenecientes a esta clase y contextualizo los resultados dentro del estudio de población de pleriones realizado por la Colaboración H.E.S.S.. Haciendo uso de estos resultados, se discute la importancia de la densidad de fotones en el medio circundante junto con las características de los p´ulsares alojado por estos pleriones para la emisión de rayos gamma. En esta tesis, también presento el primer trabajo conjunto entre el Observatorio HAWC y MAGIC, que abre las puertas a futuros proyectos en sinergia. La Parte IV incluye el trabajo técnico realizado durante mi tesis con el futuro CTA. Este trabajo está centrado en el hardware de la cámara de los telescopios de gran tamaño (LST, por sus siglas en inglés) del futuro instrumento CTA, que incluye el control de calidad de varios subsistemas, entre los que descatan los fotomultiplicadores, las fuentes de alimentación y el sistema de trigger. Finalmente, resumo todos los anteriormente mencionados resultados en un capítulo de conclusiones. Todo el trabajo desarrollado durante mi tesis dio lugar a siete publicaciones en revistas científicas: dos ya publicadas, dos aceptadas por la correspondiente revista y tres actualmente bajo revisión de la Colaboración de MAGIC y otras colaboraciones implicadas.

Throughout our entire history, we humans have strived to unravel the mysteries with which the deep Universe challenges us. In our humble beginnings, this task was performed with our naked eyes, by gazing at the stars and planets and wondering how far away they were and how they moved in the night sky. For many centuries, only the visible Universe was reachable for us, but extraordinary achievements were accomplished despite the limited tools: we discovered, for example, that our planet was not the center of the Universe, owing to Nicolaus Copernicus’ observations and his heliocentric model. From Copernicus’ epoch up to now, the development of new technologies and the advancement of our own understanding of the Cosmos, allowed us to disentangle many riddles. Fortunately, this natural curiosity that leads us to improve never ends, and we face new questions that challenge our capacity as scientists. In the present thesis, I focus on a small fraction of this science: the gamma-ray astronomy. Within this field, I study particle acceleration and gamma-ray production mechanisms inside the relativistic jets displayed by the so-called microquasars and the shocks produced in Pulsar Wind Nebulae (PWNe). In Part I of the thesis I present an introduction to the non-thermal Universe, delving into the mechanisms of production and absorption that govern the gamma-ray emission. I also introduce the MAGIC telescopes, from which the bulk of results in this thesis are obtained. Other detection techniques, such as those used by the HAWC Observatory and the Fermi-LAT satellite, are also introduced as results from both of them are used in the discussion of galactic sources included in this thesis. The scientific achievements are encompassed in Part II and Part III. In the former, I discuss results from the three best microquasar candidates to emit Very-High-Energy (VHE) gamma rays: Cygnus X-1, Cygnus X-3 and V404 Cygni. I investigate them making use of MAGIC data during long-term campaigns or under flaring periods. Furthermore, in order to complement results at lower energies, I analyze Fermi-LAT data of Cygnus X-1, leading to the detection of the system in the High Energy (HE) regime. This constitutes the first firmly gamma-ray detection on a Black Hole (BH) binary system. Part III is focused on the study of PWNe. I analyze five sources of this type and set the results in the context of the TeV PWN population study performed by the High Energy Stereoscopic System (H.E.S.S.) Collaboration. Along with these results, I discuss the importance of the target photon field together with characteristic features of the pulsars hosted by these PWNe to emit gamma rays. In this thesis, I also present the first joint work between the HAWC Observatory and MAGIC, which opens the door to future synergy projects. In Part IV, I present the technical work performed during my thesis for the future Cherenkov Telescope Array (CTA) instrument. I focus on the camera hardware for the Large Size Telescope (LST), working on the Quality Control (QC) for several subsystems, among which the Photomultiplier Tubes (PMTs), power supplies and trigger mezzanines stand out. Finally, I summarize all the aforementioned results in a conclusion chapter. All the work developed during my thesis led to seven publications in scientific journals: two of them already published, two accepted by the corresponding journal and three currently under the revision of MAGIC and all implicated collaborations.