Some observational and theoretical aspects of cosmic-ray diffusion

Abstract

La Tesis contiene ciertos estudios relacionados con la difusión de rayos cósmicos. Está dividida en dos partes, una describe los modelos sobre la fenomenología de difusión de rayos cósmicos, y otra presenta las observaciones realizadas usando el experimento MAGIC y simulaciones del futuro Array de Telescopios Cherenkov (CTA, por sus siglas en inglés). En la primera parte, se introduce la teoría general más aceptada sobre la difusión de rayos cósmicos. Se cree que los remanentes de supernova (SNR) son uno de los escenarios más probables de aceleración de rayos cósmicos, tanto en procesos leptónicos como hadrónicos. El mecanismo de aceleración de partículas en cada SNR se asume que es aceleración por choque difuso (diffusive shock acceleration). Para obtener confirmación observacional de la aceleración de protones y otros núcleos, y distinguirlos de la emisión leptónica, se deben aislar los efectos de los múltiples mensajeros producidos por partículas secundarias. Partiendo de ahí, se desarrolla un modelo sobre los alrededores del SNR IC443 que explica la fenomenología de alta energía: los rayos cósmicos escapan del remanente, los más energéticos alcanzan antes la nube molecular situada delante de la misma y los menos energéticos aún permanecen confinados a los restos del SNR. Los resultados contrastados con las últimas observaciones obtenidas de la fuente explican su aparente desplazamiento cuando se observa a alta y a muy alta energía. También se presenta un modelo multi-frecuencia y multi-mensajero (fotones de todo el espectro electromagnético y neutrinos) de la emisión difusa de la galaxia con un estallido de formación estelar M82. Las predicciones para rayos gamma se comparan con (y explican satisfactoriamente) las posteriores detecciones en el rango energético comprendido entre los giga- y los tera-electronvoltios de las galaxias M82 y NGC 253, realizadas por el satélite Fermi y los experimentos en tierra H.E.S.S. y VERITAS. En la segunda parte de la Tesis, se describe la técnica de detección de rayos gamma desde tierra a través de la radiación Cherenkov. Esta técnica es explotada, entre otros, por el experimento MAGIC. Algunas de las observaciones realizadas por la estudiante con este telescopio se presentan como parte de esta Tesis. En primer lugar, se muestran los límites superiores (upper limits) al flujo de rayos gamma obtenidos con MAGIC-I sobre dos fuentes detectadas por el experimento Milagro y que se corresponden con dos fuentes brillantes del satélite Fermi en la región del SNR G65.1+0.6. Se cree que puedan tratarse de dos púlsares que inyectan energía y partículas en la nebulosa pulsada que las rodea. También se presentan resultados preliminares de observaciones en estéreo (con los dos telescopios MAGIC) del SNR IC443. El número de horas obtenido resulta insuficiente para completar el estudio morfológico dependiente de la energía para el que se enfocaba la obtención de estos datos, pero nuevas observaciones están previstas para el futuro. Finalmente, se introducen por primera vez algunas simulaciones realizadas con el futuro CTA y ciertos estudios espectrales sobre particulares casos científicos. En concreto, dichos estudios se centraron en los objetos ya discutidos en el resto de la Tesis, como el SNR IC443, las galaxias con estallido de formación estelar M82 y NGC 253, y nubes moleculares iluminadas por rayos cósmicos escapados de SNRs cercanos. El observatorio CTA representa el futuro de las observaciones de rayos gamma desde tierra, y prevé que se unan las colaboraciones de todas las instalaciones de telescopios actuales. El rango de energías se verá ampliado, la sensibilidad aumentará un orden de magnitud y la resolución angular se mejorará respecto a los experimentos existentes hoy en día. Esta Tesis representa, pues, sólo el principio de lo que queda por venir.

This Thesis deals with certain aspects on cosmic-ray diffusion. It is divided in two parts, one describes phenomenological models of cosmic-ray diffusion, and the other presents observations taken with the MAGIC experiments and simulations of the future Cherenkov Telescope Array (CTA). In the first part, the generally accepted theory for cosmic-ray diffusion is introduced. Supernova remnants (SNRs) are believed to be the more likely scenarios of cosmic-ray acceleration, considering both hadronic and leptonic processes. The mechanism for particle acceleration in each SNR is assumed to be diffusive shock acceleration (DSA). To obtain the observational confirmation of proton and nuclei acceleration, and distinguish it from leptonic emission, the effects of multiple messengers produced by secondary particles must be isolated. Following this, a model for the neighborhood of the SNR IC443 is developed, explaining the high energy phenomenology: cosmic rays escape from the remnant, the most energetic ones reach first the molecular cloud located in front of it and the least energetic ones still remain confined on the shell of the SNR. The results are confronted with the latest observations that are obtained from this source. The apparent displacement between high and very high energy detected sources is explained thanks to this model. Moreover, a multi-frequency and multi-messenger model (i.e., photons from the whole electromagnetic spectrum and neutrinos) for the diffuse emission coming from the starburst galaxy M82 is presented. The gamma-ray predictions are compared to the posterior detections in the energy range between the giga- and the tera-electronvolts of the starburst galaxies M82 and NGC 253, observed by the satellite Fermi and the ground-based experiments H.E.S.S. and VERITAS. The model explains rather satisfactorily these detections at high and very high energy. In the second part of the Thesis, the technique for the gamma-ray detection at ground level through Cherenkov radiation is described. This Cherenkov technique is used in the MAGIC experiment, among others. Some of the observations taken by the student with this telescope facility are presented as part of this Thesis. First, the upper limits to the gamma-ray flux coming from two sources in the region of the SNR G65.1+0.6 when observed with MAGIC-I are shown. These two sources were previously detected by the Milagro experiment and are associated with two bright sources in the Fermi catalog. One of the possible explanations is that these sources are two pulsars powering the pulsar wind nebula that surrounds them. Furthermore, preliminar results of the stereo observations (using the two MAGIC telescopes) of the SNR IC443 are presented. The goal for these observations is performing an energy-dependent morphological study. So far, the obtained number of hours is not enough, although new observations are planned for the near future. Finally, some simulations for the future CTA are presented for the first time, together with several spectral studies regarding interesting scientific cases. In particular, those studies are focused on objects that have been already mentioned in this Thesis, like the SNR IC443 and the starburst galaxies M82 and NGC 253, and also on molecular clouds that are illuminated by cosmic rays which escaped from nearby SNRs. The CTA observatory represents the future of the ground-based gamma-ray observations, and it is likely to include every collaboration from the existing telescope facilities nowadays. The energy range will be widened, the sensitivity will be one order of magnitude improved and the angular resolution will be enhanced respect to the existing experiments up to now. Thus, the present Thesis is just the tip of the iceberg of what is yet to come.