Caracterización de la emisión de muy alta energía de los púlsares con los telescopios Magic

Resumen

En 1967, la estudiante de doctorado Jocelyn Bell Burnell, observó por primera vez la señal procedente de un púlsar. Estos objetos estelares han sido desde entonces intensamente estudiados a todas las longitudes de onda. Recientemente, la detección de emisión de muy alta energías (por encima de 100 GeV) del púlsar del Cangrejo ha obligado a replantearnos nuestras ideas sobre el funcionamiento de estas estrellas, ya que tal emisión parecía descartada a priori por los modelos teóricos existentes. Estos modelos proponen distintos lugares en las magnetosferas de los púlsares, cada uno con características propias en la distribución espectrales de energía y en las curva de luz esperadas Esta tesis trata de la caracterización de la emisión de muy alta energía de los púlsares. Este estudio está basado en las observaciones de púlsares con los telescopios MAGIC y Fermi-LAT y en una estimación analítica de la eficiencia de emisión en rayos X y rayos gamma de los púlsares en el contexto del modelo del outer gap o de zona externa Dos púlsares fueron seleccionados para las observaciones con los telescopios MAGIC: el púlsar del Cangrejo y Geminga. Estos dos púlsares son los más brillantes observables desde el hemisferio Norte. El estudio del púlsar del Cangrejo nos ha permitido detectar por primera vez señal de radiación pulsada en la zona denominada puente, localizada entre los dos picos principales de emisión que presenta la curva de luz de este púlsar. La emisión en esta zona ya había sido detectada a energía inferiores, pero nunca en rayos gammas de muy alta energía hasta ahora. Además, hemos estudiado la evolución de la emisión relativa entre los picos y la zona puente a diferentes energías incluyendo en nuestro análisis 6.5 años de datos del telescopio espacial Fermi-LAT, mostrando una evolución similar de los cocientes P2/P1 y puente/P1. Tal similaridad revela propiedades similares en la emisión de las distintas componentes. El segundo púlsar estudiado, Geminga, es mucho más viejo que el Cangrejo, por lo que su detección con MAGIC ayudaría a entender la evolución de la física de los púlsares con su edad. El análisis de las observaciones de Geminga realizadas con los telescopios MAGIC no han dado lugar a la detección de ninguna señal y se han calculado limites superiores a la posible emisión de este púlsar en el rango de energías cubierto por MAGIC. Para el estudio de Geminga se han analizado así mismo 5 años de datos suministrados por el detector LAT, a bordo del satélite Fermi. Hemos podido establecer que la ley de potencias con corte sub-exponencial caracteriza mejor, que la ley de potencia con corte exponencial, la distribución espectral en energía de Geminga a un nivel de 6 11 y 24 sigma para P1, P2, y la emisión total respectivamente. Finalmente, hemos realizado un estudio teórico sobre la evolución de la eficiencia de emisión de los púlsares en rayos X y rayos gamma con la edad del púlsar. Nuestro cálculo está basado en una versión mejorada del modelo outer gap, uno de los favoritos para la emisión de muy alta energía de los púlsares, incluyendo el desarrollo de cascadas electromagnéticas dentro del gap. Además, hemos considerado el escenario de enfriamiento mínimo (minimal cooling scenario), suponiendo que la estrella de neutrones está hecha de materia estándar y que la temperatura de la superficie depende de la composición de la zona externa, es decir, de si está compuesta por elementos ligeros o pesados. Calculamos la evolución de la anchura de la zona externa en la dirección perpendicular a las líneas de campo magnético para ambos casos, y las eficiencias de emisión para púlsares jóvenes y de edad media. Los cálculos llevados a cabo, considerando tanto elementos ligeros y pesados, concuerdan con la evolución de la eficiencia observada de los púlsares, según la cual los púlsares muy jóvenes son buenos emisores de rayos X y débiles emisores en rayos gamma, mientras que para púlsares más viejos la tendencia es al revés.