Observations of VHE emission from blazars at cosmologicas distances

Resumen

Desde el descubrimiento accidental por parte de Fath en 1909 de líneas de emisión extrañas e intensas en el espectro óptico de las nebulosas espirales, el estudio de los núcleos de galaxias activos ha sido objeto de intensa investigación. Hoy en día pensamos que estas violentas estructuras, que se encuentran en el centro de algunas galaxias, están alimentadas por agujeros negros muy masivos con eficientes mecanismos de acrecimiento. No es extraño encontrar en ellos chorros colimados que se extienden el equivalente al tamaño de la propia galaxia anfitriona, con intensa emisión en todo el espectro electromagnético. Los núcleos activos de galaxias son aceleradores de partículas extremos, pero no se sabe con certeza dónde y cómo se produce este proceso. Las partículas cargadas que han sido aceleradas pueden emitir radiación no térmica mediante varios mecanismos, desde radio hasta rayos gamma. Esta tesis se enfoca en el estudio de un tipo particular de núcleo galáctico activo conocido como blazar, fuentes intensas de radio cuyos chorros se orientan hacia nosotros. Esta orientación, junto a la naturaleza ultra-relativista de los plasmas de partículas cargadas que están inmersos en el chorro, amplifican por efecto Doppler la radiación emitida. Las energías de los fotones que escapan alcanzan en muchos casos el dominio de los rayos gamma de muy alta energía (por sus siglas en inglés, VHE) y pueden ser detectados por telescopios Cherenkov de imágenes atmosféricas (IACTs) como MAGIC. De entre los aproximadamente 70 blazars conocidos en VHE, hemos seleccionado tres en nuestro estudio. Son los dos radio-cuásares de espectro plano y el BL Lac más lejanos que hemos detectado hasta la fecha con IACTs. Los dos cuásares destacan por ser uno de ellos el único blazar VHE amplificado por lente gravitatoria fuerte y el otro por la duración de su estallido de actividad en 2015, que permitió recoger datos de gran calidad desde radio hasta rayos gamma. En ambos casos, interpretamos las observaciones de MAGIC como emisión de un plasma lleno de electrones ultrarelativistas que se mueven a lo largo del chorro y escapan eventualmente de la región de líneas anchas del cuásar. La tercera fuente se ha incluído para investigar su intrigante espectro, utilizado en el pasado como evidencia de procesos hadrónicos en el chorro y de propagación cósmica eficiente de rayos gamma mediante generación de hipotéticas partículas secundarias tipo axiones. En los tres casos, hemos estudiado su emisión en muy altas energías en el contexto de campañas multi-frecuencia y podemos concluir que los modelos de emisión de Compton inverso pueden explicar satisfactoriamente los espectros observados y su variabilidad multi-frecuencia. Finalmente, hemos combinado más de 300 horas de observaciones de blazars con MAGIC, junto a datos contemporáneos en rayos gamma de energías más bajas usando Fermi-LAT, con el objetivo de obtener límites a la densidad de fotones del fondo de luz extragaláctica (EBL). Estos fotones, con energías que van desde el UV al IR lejano, pueden interaccionar con los rayos gamma generados por los blazars creando partículas secundarias. A distancias cosmológicas, la atenuación inducida en el espectro de rayos gamma del blazar puede utilizarse para obtener por métodos estadísticos propiedades del espectro del EBL y de su evolución con el corrimiento al rojo. Dicha evolución está relacionada con la historia de formación estelar en el Universo. Para nuestro estudio, hemos desarrollado dos herramientas basadas en un perfil de verosimilitud para obtener límites en la densidad de EBL. Los resultados muestran que los modelos más recientes de EBL pueden explicar las observaciones de blazars de MAGIC. Encontramos además que nuestras medidas son cercanas a los límites inferiores a la densidad de EBL predichos por estudios basados en conteos de galaxias, lo cual nos indica que el EBL está dominado por la emisión de galaxias normales.