Multi-year campaign of the gamma-ray binary LS I +61º 303 and search for VHE emission from gamma-ray binary candidates with the MAGIC telescopes

Abstract

Esta tesis se centra en el estudio de sistemas binarios compactos de rayos γ, las denominadas binarias de rayos γ, con los telescopios MAGIC. Sólo cinco sistemas son los componentes de este reducido grupo. Todos ellos tienes estrellas masivas, pero sólo se conoce la naturaleza del objeto compacto de una de ellas, que se trata de una estrella de neutrones. Aunque ninguno de ellos muestra pulsaciones (propio de estrellas de neutrones) ni estructuras que se asemejen a jets (típico de agujeros negros), la mayoría de las teorías apuestan a que el objeto compacto de estos objetos es una estrella de neutrones. El escenario más aceptado para explicar la emisión γ de muy alta energía es aquel en el que el viento estelar interactúa con el viento de la estrella de neutrones, acelerando las partículas presentes en el sistema hasta velocidades relativistas, con la consecuente emisión de rayos γ. El esquema de la tesis es el siguiente: • El capítulo 1 es una introducción a la astronomía de rayos γ de muy alta energía. Se presenta un pequeño resumen de la historia de los rayos cósmicos y su relación con los rayos γ. A continuación, se describen los métodos directos para la detección de rayos γ desde el espacio y los métodos indirectos utilizados por observatorios en tierra. Debido a que esta tesis utiliza datos de los telescopios MAGIC, se introduce la técnica IACT y sus fundamentos físicos. • En el capítulo 2, se discuten las restricciones de los telescopios Cherenkov debido a las incertidumbres sistemáticas provocadas por el desconocimiento de las condiciones atmosféricas y la necesidad de corregirlas. Como posible solución, se propone la utilización de sistemas LIDAR y se describe el instrumento de este tipo que está siendo desarrollado y caracterizado en el IFAE. • Los telescopios MAGIC, desde los componentes electrónicos y mecánicos y el software de control, están descritos en el capítulo 3 . Se hace especial hincapié en el sistema de adquisición de datos, en el que la autora de la tesis ha contribuido. La cadena de análisis estándar de MAGIC también se describe en este capítulo, dedicando un apartado especial al análisis bajo condiciones de luna moderada/fuerte. • El capítulo 4 es una introducción a los distintos tipos de sistemas binarios, prestando especial atención a los sistemas binarios en rayos X y en rayos γ. Los posibles escenarios para explicar la emisión gamma de estos últimos se discuten aquí también. • El capítulo 5 es una completa y detallada descripción de la binaria de rayos γ LS I + 61◦303 y se muestran los resultados de una campaña multi-­‐anual. Se investiga la variabilidad anual en la emisión a muy altas energías de esta fuente, así como la posible existencia de una modulación super-­‐orbital en su flujo. Además, se realiza un estudio sobre variabilidad espectral. Finalmente, se estudia la posible correlación entre el flujo en rayos γ de muy alta energía y la pérdida de masa de la estrella, a través de observaciones simultáneas de MAGIC y el telescopio óptico LIVERPOOL. • En el capítulo 6, se describen las observaciones realizadas sobre la candidata a binaria de rayos γ MWC 656. Este sistema es muy interesante debido a que se trata de la primera estrella masiva tipo Be en albergar un agujero negro, probado experimentalmente. • En el capítulo 7 se muestra la búsqueda de emisión γ del sistema binario SS 433, un microquasar que se encuentra sumergido en una nebulosa. • Finalmente, las conclusiones de los estudios realizados y algunas perspectivas de futuro se recogen en el capítulo 8.

This thesis is focused on the study of compact binary systems that emit γ-­‐ ray emission, the so-­‐called γ-­‐ray binaries, with the MAGIC telescopes. The bulk of the non-­‐thermal emission of these systems peaks in the γ-­‐ray domain. Only five systems are the members of this reduced group. All of them host massive stars and a compact object, remnant of a supernova explosions. Only the compact object of one of these binaries is known, a neutron star. Although none of them display pulsations (associated with neutron stars) or double-­‐jet structures (associated with microquasars), most of the theories and observations suggest a neutron star as the compact object. The most accepted scenario to explain the very high energy (VHE) emission of this source class is the pulsar wind scenario. The wind of the massive star and the wind of the neutron star interact, accelerating particles up to relativistic energies with the consequent emission of γ-­‐rayphotons. The outline of the thesis is the following: • Chapter 1 is an introduction to VHE γ-­‐ ray astronomy. First, a brief history of cosmic rays and their relation with γ rays is introduced. Direct methods for the detection of γ rays in outer space and indirect detection techniques on Earth with ground-­‐based observatorios are described. Since this thesis uses data from the MAGIC telescopes, the Imaging Air Cherenkov Technique and its physics principles are introduced. • In Chapter 2, the restrictions of IACTs in terms of the systematic uncertainties due to atmospheric conditions and the need for correcting them is discussed. A LIDAR is introduced as a solution for the next generation of IACTs, the Cherenkov Telescope Array (CTA), to reduce systematic errors and enlarge the duty cycle. The LIDAR which is being developed and characterized at IFAE is described, as well as the performance of this system. • Chapter 3 shows a description of the MAGIC telescopes. The hardware and software components, with a special contribution to the data acquisition system by the author of this thesis, are described. The standard data analysis chain is also collected as well as the special treatment of the data under moderate -­‐ strong moonlight conditions. • Chapter 4 is an introduction to compact binary systems. It describes the large variety of these sources in this Universe, finally focussing in X-­‐ray binaries and γ-­‐ ray binaries. The possible scenarios to account for the γ-­‐ ray emission of these sources are also introduced. • Chapter 5 is the complete and detailed description of the γ-­‐ray binary LS I +61◦303. The results of a multi-­‐year campaign are shown in this Chapter. Studies on the yearly flux variability and the possible existence of a super-­‐orbital modulation in the flux are investigated. Furthermore, searches for spectral variability are performed. Finally, a correlation study of the TeV flux with the mass-­‐loss rate of the Be star through simultaneous observations with an optical telescope is performed. • In Chapter 6, a search for TeV emission of the γ-­‐ray binary candidate MWC 656 is performed. This system is especially interesting for being the first Be star to be proven to host a black hole. • Chapter 7 details the search for VHE γ-­‐ray emission of the binary system SS 433, which is a microquasar embedded in a nebula. It is the only super-­‐critical accretor in the Galaxy and displays hadronic jets emission. • Finally, concluding remarks from the presented studies and future perspectives are discussed in Chapter 8.