Structure and nature of gamma-ray binaries by means of VLBI observations

Abstract

Gamma-ray binaries are extreme systems that produce non-thermal emission from radio to very-high-energy (above TeV) gamma rays, with the energy output in the spectral energy distribution (SED) dominated by the MeV–GeV photons. Their broadband emission is usually modulated by the orbital cycle of the system, which suggests that the physical conditions are also periodic and reproducible. The diversity of systems, together with the reproducibility of the conditions within each system, makes gamma-ray binaries excellent physical laboratories in which high energy particle acceleration, diffusion, absorption, and radiation mechanisms can be explored. Nevertheless, the number of known gamma-ray binaries is still very limited, and only a six binary systems have been classified as gamma-ray binaries. These systems produce outflows of relativistic particles emitting synchrotron radio emission that extend up to several astronomical units, which correspond to projected angular scales of a few milliarcseconds (mas) at typical distances of 2-3 kpc. Very Long Baseline Interferometry (VLBI) provide mas resolution and therefore can be used to directly see this radio outflow. In this thesis we present VLBI observations of five of the six gamma-ray binaries known. We have revealed for the first time the radio structure of two gamma-ray binaries, and found periodic changes in the structure of other two. Based on these results, we have established the basic properties and behaviour of the radio emission of gamma-ray binaries on AU scales, and we have contributed to find characteristics that are common to all of them.

En los últimos años se ha producido una mejora significativa de los instrumentos que permiten observar fenómenos astrofísicos en rayos gamma de alta y muy alta energía. Gracias a estos avances, se ha podido detectar emisión de rayos gamma en sistemas binarios. Tan sólo seis sistemas binarios han sido clasificados como estrellas binarias de rayos gamma (tres de ellos aún son candidatos). Estos sistemas producen chorros de material relativista que a su vez producen grandes cantidades de energía en todo el espectro electromagnético, desde ondas radio hasta emisión de rayos gamma hasta energías del teraelectronvolt (TeV). Estos chorros se desplazan a alta velocidad produciendo estructuras en escalas de varias unidades astronómicas (UA). Estas estructuras pueden ser observadas directamente mediante técnicas de interferometría radio de muy larga línea de base (VLBI). En esta tesis nos centramos en el estudio de las propiedades morfológicas y astrométricas de binarias de rayos gamma observadas mediante VLBI. De las seis binarias conocidas, se han observado cinco de ellas. Los resultados principales son los siguientes. Se ha detectado estructura extendida en escalas de 120 UA en el sistema binario PSR B1259-63. Esta ha sido la primera evidencia observacional de que púlsares jóvenes no acretantes interaccionando con estrellas jóvenes pueden producir emisión radio extendida. Se ha descubierto que la emisión del sistema LS 5039 muestra cambios periódicos en su morfología, que son estables en escalas de varios años. También se ha determinado el movimiento propio de este sistema y se ha obtenido su trayectoria galáctica en el pasado. Se ha confirmado que el sistema LS I +61 303 muestra variabilidad orbital periódica, aunque presenta cambios significativos en ciertas fases orbitales. Se ha encontrado un desplazamiento del pico de la emisión a varias frecuencias, así como un cambio en sus posiciones relativas. Se ha descubierto emisión extendida procedente de la fuente de rayos gamma HESS J0632+057, y se ha confirmado inequívocamente su asociación con el sistema binario MWC 148. Por último, no se ha encontrado contrapartida radio a la fuente de rayos gamma AGL 2241+4454, cuya contrapartida óptica ha sido propuesta en el sistema MWC 656. Estos resultados permiten sentar las bases de la estructura en escalas de varias UA de los sistemas binarios de rayos gamma, así como su comportamiento en función de la fase orbital. Las características comunes halladas en estos sistemas ha permitido encontrar enlaces observacionales entre estos sistemas, dando consistencia a este particular grupo de estrellas que presentan emisión en rayos gamma.