Gamma-ray Analysis of Pulsar Environments and Their Theoretical Explanation

Abstract

Púlsars i les seves nebuloses de vent de púlsar (PWNe) associades actuen com a laboratoris naturals on convergeixen camps magnètics extrems, partícules relativistes i dinàmiques de xoc. Comprendre la seva emissió d’alta energia és essencial no només per rastrejar-ne l’evolució, sinó també per investigar l’origen dels raigs còsmics galàctics i l’estructura del medi interestel·lar.

Aquesta tesi doctoral presenta una investigació exhaustiva de les propietats en raigs gamma dels púlsars i les PWNe, integrant anàlisis observacionals amb modelització numèrica. S'ha utilitzat un model leptònic físicament motivat i dependent del temps (TIDE) per simular l’evolució de la distribució espectral d’energia (SED) de les PWNe. La seva validació amb tres fonts representatives —Crab Nebula, 3C 58 i G11.2-0.3— va demostrar una forta convergència i una recuperació robusta de paràmetres, fins i tot amb dades limitades, gràcies a una estratègia d’ajust multiinicial.

A partir d’aquest marc, es va dur a terme una cerca sistemàtica de PWNe en el rang MeV–GeV utilitzant més d’11 anys de dades del Fermi-LAT. Centrant-se en PWNe sense púlsars de raigs gamma coneguts, la cerca va identificar diversos candidats nous i va permetre una caracterització a nivell poblacional. Cinc fonts van ser modelitzades en detall, amb múltiples comprovacions de consistència —com comparacions entre èpoques i ponderació de la versemblança— que confirmaren la fiabilitat dels resultats.

El model també es va aplicar a quatre possibles PWNe emissores en TeV, seleccionades mitjançant una tècnica de agrupació de púlsars ("arbre de púlsars"). Es van predir les seves SEDs i es compararen amb les sensibilitats actuals i futures dels instruments de raigs gamma TeV. A més, es van analitzar críticament diverses fonts de raigs gamma d’energia ultraalta (UHE), com ara eHWC J2019+368, HESS J1427-608 i LHAASO J2226+6057, dins del marc de les PWNe, revelant grans reptes per a les interpretacions leptòniques estàndard.

Més enllà de les PWNe, aquest treball també explora altres sistemes relacionats amb púlsars. Una cerca profunda de raigs gamma del púlsar en un sistema binari de raigs X d’alta massa, 1A 0535+262, va obtenir els límits superiors més restrictius del Fermi-LAT fins avui. Un estudi separat del cúmul globular M5 va descobrir emissió estable de raigs gamma consistent amb la contribució acumulada dels púlsars de mil·lisegons interns.

Aquests resultats aprofundeixen en la nostra comprensió del comportament en raigs gamma dels entorns de púlsars i subratllen la utilitat dels models unificats per revelar poblacions ocultes de fonts i restringir els processos d’emissió d’alta energia. Mirant cap al futur, les metodologies i descobriments presentats en aquest treball ofereixen una base sòlida per a futures investigacions multibanda i estudis amb la pròxima generació d’observatoris de raigs gamma.

Los púlsares y sus nebulosas de viento de púlsar asociadas (PWNe) actúan como laboratorios naturales donde convergen campos magnéticos extremos, partículas relativistas y dinámicas de choque. Comprender su emisión de alta energía es fundamental no solo para rastrear sus caminos evolutivos, sino también para investigar el origen de los rayos cósmicos galácticos y la estructura del medio interestelar.

Esta tesis presenta una investigación exhaustiva de las propiedades en rayos gamma de púlsares y PWNe, integrando análisis observacional con modelado numérico. Se empleó un modelo leptónico físicamente motivado y dependiente del tiempo (TIDE) para simular la evolución de la distribución espectral de energía (SED) de las PWNe. La validación con tres fuentes representativas —la Nebulosa del Cangrejo, 3C 58 y G11.2-0.3— demostró una fuerte convergencia y una recuperación robusta de parámetros, incluso con datos limitados, mediante una estrategia de ajuste con múltiples inicios.

Basándose en este marco, se llevó a cabo una búsqueda sistemática de PWNe en el rango MeV–GeV utilizando más de 11 años de datos del Fermi-LAT. Centrándose en PWNe sin púlsares gamma conocidos, la búsqueda identificó varios nuevos candidatos y permitió una caracterización a nivel poblacional. Cinco fuentes fueron modeladas en detalle, con amplias comprobaciones de consistencia —como comparaciones entre épocas y ponderación de verosimilitud— que confirmaron la fiabilidad de los resultados.

El modelo también se aplicó a cuatro posibles PWNe emisores en TeV, seleccionados mediante una técnica de agrupamiento de púlsares (“árbol de púlsares”). Se predijeron sus SEDs y se compararon con las sensibilidades de los instrumentos actuales y futuros en rayos gamma TeV. Además, se evaluaron críticamente varias fuentes de rayos gamma de energía ultraalta (UHE), como eHWC J2019+368, HESS J1427-608 y LHAASO J2226+6057, dentro del marco de las PWNe, revelando importantes desafíos para las interpretaciones leptónicas estándar.

Más allá de las PWNe, este trabajo también explora otros sistemas relacionados con púlsares. Una búsqueda profunda en rayos gamma del púlsar de rayos X en un sistema binario de alta masa, 1A 0535+262, arrojó los límites superiores más estrictos obtenidos hasta la fecha con Fermi-LAT. Un estudio separado del cúmulo globular M5 reveló emisión constante de rayos gamma consistente con la contribución acumulada de púlsares de milisegundo internos.

Estos resultados profundizan nuestra comprensión del comportamiento en rayos gamma de los entornos de púlsares y subrayan la utilidad de marcos de modelado unificados para descubrir poblaciones ocultas de fuentes y restringir los procesos de emisión de alta energía. De cara al futuro, las metodologías y hallazgos presentados en este trabajo proporcionan una base sólida para futuras investigaciones multibanda y estudios con la próxima generación de observatorios de rayos gamma.

Pulsars and their surrounding pulsar wind nebulae (PWNe) serve as natural laboratories where extreme magnetic fields, relativistic particles, and shock dynamics converge. Understanding their high-energy emission is essential not only for tracing their evolutionary pathways but also for probing the origins of Galactic cosmic rays and the structure of the interstellar medium.

This dissertation presents a comprehensive investigation of the gamma-ray properties of pulsars and PWNe, integrating observational analysis with numerical modeling. A physically motivated, time-dependent leptonic model (TIDE) was used to simulate the spectral energy distribution (SED) evolution of PWNe. Validation against three representative sources - Crab Nebula, 3C 58, and G11.2-0.3 - demonstrated strong convergence and robust parameter recovery, even under limited data, by employing a multi-start fitting strategy.

Building on this framework, a systematic search for MeV--GeV PWNe was performed using over 11 years of Fermi-LAT data. Focusing on PWNe without known gamma-ray pulsars, the search identified several new candidates and enabled a population-wide characterization. Five sources were modeled in detail, with extensive consistency checks - such as epoch comparisons and likelihood weighting - confirming the reliability of the results.

The model was further applied to four potential TeV-emitting PWNe, selected via a pulsar clustering technique (“pulsar tree”). Their SEDs were predicted and compared with current and upcoming TeV instrument sensitivities. Additionally, several ultra-high-energy (UHE) gamma-ray sources (e.g., eHWC J2019+368, HESS J1427-608, LHAASO J2226+6057) were critically assessed within the PWN framework, revealing substantial challenges for standard leptonic interpretations.

Beyond PWNe, this work also explores other pulsar-related systems. A deep gamma-ray search for the high-mass X-ray binary pulsar 1A 0535+262 yielded the most stringent Fermi-LAT upper limits to date. A separate study of the globular cluster M5 uncovered steady gamma-ray emission consistent with the cumulative output of internal millisecond pulsars.

These results deepen our understanding of the gamma-ray behavior of pulsar environments and underscore the utility of unified modeling frameworks in uncovering hidden source populations and constraining high-energy emission processes. Looking ahead, the methodologies and findings presented in this work provide a foundation for future multi-wavelength investigations and studies with the next-generation of gamma-ray observatories.