Observation of the Crab pulsar wind nebula and microquasar candidates with MAGIC

Abstract

La historia de la astronomía de los rayos gammas en los últimos veinte años está marcada por el éxito que los telescopios Cherenkov han tenido en la exploración de la banda de muy altas energías. La ultima generación de telescopios Cherenkov, que incluye los telescopios HESS, VERITAS y MAGIC, ha logrado, en sólo siete años, aumentar el número total de fuentes conocidas de muy altas energías, desde unas pocas hasta más de un centenar. Esta populación de fuentes incluye objetos galácticos y extragalácticos. Los telescopios Cherenkov se han demostrado muy eficientes en el descubrimiento de nuevas emisoras de rayos gammas y también en el estudio detallado de la propiedades físicas de las fuentes bien conocidas, como por ejemplo, la Nebulosa del Cangrejo, el prototipo de los pleriones o Nebulosas de Viento de Púlsar ("pulsar wind nebulae"). Gracias a su brillo a todas las longitudes de onda, el Cangrejo es una fuente astrofísica de referencia. Su espectro ha sido medido en veinte ordenes de magnitud en energía, desde las frecuencias radio hasta las muy altas energías, pero nuevas medidas resultan aún esenciales para entender las contradicciones que surgen cuando se combinan los resultados de diferentes longitudes de onda. Finalizado del commissioning del segundo telescopio en el Otoño del 2009, y tras el comienzo de la toma de datos en modalidad estereoscopica, MAGIC ha mejorado significantivamente su rendimiento y alcanza el umbral en energía más bajo de todos los telescopios Cherenkov. Por lo tanto MAGIC es un instrumento ideal para medir el espectro de la Nebulosa del Cangrejo con una precisión sin precedentes a partir de 50 GeV. Este logro tiene una importancia extraordinaria para el astrofísica de muy altas energías y tiene el potencial de solucionar unos de los misterios aun no resueltos de esta fuente. Este es uno de los asuntos centrales de este trabajo de tesis. Por otro lado, MAGIC ha tenido también un impacto fundamental en el descubrimiento de nuevos objetos astrofísicos, y, con la mejora en sensibilidad del nuevo sistema de dos telescopios , este impacto será aún mas significativo. Entre las fuentes galacticas, los microcuásares constituyen unos de los mejores candidatos a emisores de rayos gammas. Su caracterización a muy alta energía aportaría información muy útil para entender la formación de chorros de partículas en objetos astronomicos. Aunque muchos modelos teóricos predicen esta emisión, aún no ha sido detectada. De hecho hay evidencias de que los tres sistemas binarios que se han detectado hasta la fecha por encima de 300 GeV son binarias de púlsares más que microcuásares. Sin embargo, el hecho que el microcuásar Cygnus X-3 haya sido detectado por encima de 100 MeV por los satélites AGILE y Fermi/LAT confirma que esta clase de objetos sigue siendo un objetivo interesente por la astrofísica de muy alta energía. En los últimos años, MAGIC ha dedicado un esfuerzo muy importante búsqueda de señales desde los microcuásares. Esta tesis presenta los resultados de las observaciones de dos de ellos: Cygnus X-3 y Scorpius X-1. Se han logrado extraer los limites superiores al flujo integral de estas dos fuentes más restrictivos hasta la fecha por encima de unos centenares de GeV. Para Cygnus X-3 en particular, se presentan además las primeras observaciones a estas energías totalmente simultáneas con la emisión detectada por los satélites.

of the Imaging Atmospheric Cherenkov Telescopes (IACTs) in the exploration of the Very- High-Energy (VHE) band. The last generation of IACTs have been capable to increase the total number of known VHE emitting sources from a few to almost one hundred in just seven years of operation. This population comprises galactic and extragalactic objects. IACTs have proved to be very effective in both the discovery of new emitters, as well as in the fine analysis of the physics properties of well established sources. Among them, the Crab Pulsar Wind Nebula is probably the best studied astrophysical object and the archetypal PWN. Due to its brightness at almost all wavelenghts, it is considered as an astrophysical candle. Despite the Crab Nebula broad-band spectrum has been thoroughly studied across twenty orders of magnitudes, from radio frequencies to VHE, further effort is needed to resolve the contradictions in the combination of all the multiwavelenght results. With the commissioning of the second MAGIC telescope in 2009 and the beginning of the operations in stereoscopic mode, the performance of the instrument improved dramatically, allowing MAGIC to reach the lowest ever energy threshold among all the existing IACTs, and describe the Crab Nebula spectrum with unprecedented precision down to 50 GeV. This achievement is of crucial importance for the VHE !-ray astrophysics in the pre-CTA era, since it can cast new light on some of the unsolved mysteries of one of its most established sources. On the other hand, MAGIC made a strong impact in the discovery of new VHE sources and, with the improved sensitivity of the stereoscopic mode, this will be even more so in the future. Among the galactic objects, Microquasars (MQs) constitute some of the best candidates for VHE emission, but despite several well accepted models predict such signal, it has not been detected. There are, in fact, evidences that the three binary systems which have been unambiguously detected at energies above few hundreds of GeV are binary pulsars rather than accreting microquasars. Nevertheless, the recent detection of the microquasar Cygnus X-3 above 100 MeV by both Agile and Fermi satellites, and the claim of short oneday flares from Cygnus X-1 reported by Agile confirmed that microquasars remain interesting targets for VHE telescopes. MAGIC made a strong effort in searching for VHE signals from microquasars, but found only a non-significant evidence of signal from Cygnus X-1 in 80 minutes of observation on September 24, 2006. MAGIC tried to detect similar flares in the following four years but the subsequent hundred more hours of observations were unsuccessful. Besides Cygnus X-1, MAGIC pointed at two other microquasar candidates, whose results are presented in this thesis: Cygnus X-3 and Scorpius X-1. The most constraining UL to the integral flux of these sources at the energy above few hundred GeV are provided. Further investigations are being planned to discover these sources at VHE in the next years.