Revealing the most energetic light from pulsars and their nebulae

Resumen

Objetivos. El objetivo principal de esta tesis es estudiar la emisión de muy alta energía del púlsar del Cangrejo. Pretendemos contestar a la pregunta de hasta qué energía son capaces de radiar los púlsares y mediante qué mecanismo. Los datos del púlsar del Cangrejo nos permiten así mismo abordar cuestiones de física fundamental, como el estudio de la violación de la invariancia de Lorentz (LIV), según la cual la velocidad de los fotones dependería de la energía de los mismos. Para poder entender mejor el funcionamiento de los púlsares a energías extremas, sería de gran utilidad encontrar otros púlsares que emitan rayos gamma por encima de 100 GeV. Para ello buscaremos entre los púlsares ya detectados a 1 GeV los mejores candidatos a ser detectados a muy altas energías. Otro objetivo de la tesis es encontrar nuevas nebulosas de púlsares en las regiones exteriores de nuestra galaxia con los telescopios MAGIC. Métodos. Hemos analizado más de 400 horas de observaciones del púlsar del Cangrejo realizadas con los telescopios MAGIC durante los años 2007 a 2016. Esta muestra de datos sin igual, nos ha permitido estudiar con gran detalle la curva de luz y el espectro del púlsar a energías superiores a 400 GeV. Para testear la violación de la ley de invariancia Lorentz predicha en teorías de gravedad cuántica, hemos modelizado la emisión de muy alta energía del púlsar del Cangrejo y hemos empleado métodos de inferencia bayesiana para deducir los límites inferiores para las escalas de energías invariantes de la velocidad de la luz. Hemos analizado los datos del telescopio Fermi-LAT para buscar los mejores púlsares candidatos a emitir rayos gamma de muy alta energía. Por último, hemos buscado emisión de muy alta energía procedente de la nebulosa de un joven y energético púlsar, a saber, PSR J0631+1036, situada en el anticentro galáctico, a partir de las observaciones realizadas con los telescopios MAGIC durante las campañas de observación de 2014/15 y 2015/16. Resultados. Descubrimiento de emisión hasta energías de TeV procedente del púlsar del Cangrejo, lo que constituye la radiación más energética jamás detectada procedente de este tipo de objetos astrofísicos. La morfología de la curva de luz por encima de 400 GeV revela dos picos estrechos (P1 y P2) que se encuentran en el mismo rango de fase que el de los picos observados a energías más bajas. Los espectros de cada pico de emisión medidos con MAGIC conectan de forma suave con los espectros medidos por Fermi-LAT por encima de 10 GeV, llegando a extenderse hasta 1.2 TeV en el caso de P2. El ajuste de los espectros a una ley de potencias manifiesta una diferencia significativa entre ambos, siendo los índices espectrales obtenidos de 3.54 para el primer pico P1 y de 3.01 para P2. La emisión hasta energías de TeV detectada en el púlsar del Cangrejo nos ha permitido obtener límites competitivos para las energías de escala involucradas en una posible violación de la invariancia Lorentz. Los límites mejoran en casi un orden de magnitud a los que se habían obtenido anteriormente con el pulsar del Cangrejo, si bien, están aún lejos de los mejores límites logrados a partir de las observaciones de GRBs. En nuestra búsqueda de púlsares candidatos a emitir rayos gamma de muy alta energía hemos encontrado sólo evidencias de pulsaciones en los datos de Fermi-LAT procedente del púlsar de milisegundo PSR J0614-3329, observable desde el hemisferio sur terrestre. Respecto a la búsqueda de nebulosas en torno a púlsares en las regiones exteriores de la Vía Láctea, las observaciones con MAGIC no han revelado emisión procedente de la nebulosa de PSR J0631.