Unidentified Fermi source (UFO) in an active galactic region

Abstract

La aparición de los telescopios Cherenkov y la técnica por imagen Cherenkov (IACT por sus siglas en inglés) en la década de los 70 han supuesto un gran avance en la astronomía de rayos γ. Dado que la atmósfera es opaca a radiaciones tan energéticas como los rayos X o los rayos γ, técnicas de detección indirecta fueron desarrolladas para permitir la detección de objetos en este rango de energías desde la Tierra. Estos telescopios son capaces de detectar las cascadas de partículas que generan los rayos cósmicos y los rayos γ cuando entran en la atmósfera e interactúan con las partículas presentes en ella. El resultado de estas interacciones es un haz de luz de muy corta duración, conocido como luz Cherenkov, producido debido al paso de partículas cargadas que viajan por el medio (la atmósfera) a una velocidad superior a la velocidad de la luz en dicho medio. Actualmente ésta es una de las líneas de estudio más prometedoras, y que nos permite estudiar los objetos más violentos del Universo y los procesos físicos que tienen lugar en ellos. Gracias a la última generación de telescopios Cherenkov como MAGIC, H.E.S.S. o VERITAS, y a satélites como Fermi-LAT, que opera en altas energías, varios cientos de fuentes han sido detectadas en la actualidad, como remanentes de supernovas, núcleos activos de galaxias o sistemas binarios. Muchas de ellas sin embargo todavía se encuentran sin identi car o sin una clara asociación a otra fuente conocida. Recientemente se han detectado rayos γ provenientes de una región de formación estelar conocida como Cygnus Cocoon , siendo la primera de su naturaleza en detectarse en este rango del espectro. Además, varias fuentes candidatas a ser otras regiones de formación estelar han sido detectadas también en energías de GeV y TeV, como Westerlund 1 y 2 o 30 Doradus. Estas regiones se caracterizan por la presencia de una estrella masiva OB (o una asociación de estrellas OB), con fuertes vientos estelares capaces de acelerar las partículas presentes en ellos y, consecuentemente, producir rayos γ. Además, se observa en estas regiones una estructura en forma de burbuja debido a la estrella OB. Estas estructuras de burbuja son similares a la observadas en regiones HII, con grandes cantidades de emisión infrarroja a una longitud de onda de 8 µm. En este proyecto estudiaremos una de estas posibles regiones de formación estelar, previamente detectada con el satélite Fermi-LAT, y observada por los telescopios MAGIC durante el año 2017. Esta fuente, conocida como 2FHL J1839.5-0705, incluida en el catálogo 2FHL de Fermi-LAT, se encuentra en una región muy poblada de fuentes emisoras en muy altas energías. El objetivo principal de este trabajo será por lo tanto con rmar la detección de esta fuente en el rango de energía en el que operan los telescopios MAGIC, y caracterizar y analizar dicho objeto, distinguiéndolo del resto de fuentes en los alrededores. Se tratará de ajustar la posición y extensión de la fuente, contrastando los resultados obtenidos con la bibliografía existente. Además, se extraerán el espectro y la curva de luz de 2FHL J1839.5-0705 y se derivarán algunas características que permitirán comparar esta fuente con las demás regiones de formación estelar (o posibles regiones de formación estelar), buscando información que ayude a con rmar la naturaleza del objeto. Finalmente se tratarán de estudiar en menor detalle algunas de las fuentes más brillantes de la región en la que se encuentra. El esquema del proyecto es el que se detalla a continuación: • En la Sección 1 se introduce la astronomía de rayos γ y de muy altas energías, incluyendo un breve resumen de esta línea de investigación a lo largo del siglo XX, resaltando los hechos principales que han desencadenado su gran evolución hasta llegar a las técnicas utilizadas en la actualidad. Se detallan además las motivaciones que han llevado a la realización de este trabajo, además de los objetivos principales que se esperan alcanzar con este estudio. • La Sección 2 contiene los fundamentos teóricos y conceptos necesarios para la realización del análisis y la correcta comprensión de los resultados obtenidos. Se detallarán las características de los rayos cósmicos y los rayos γ. Se describen algunos de los principales objetos en los que se generan y los procesos físicos involucrados. Por último, se exponen las bases de la técnica de detección por imagen Cherenkov y las consideraciones a tener en cuenta a la hora de detectar una cascada generada por un rayo γ o un rayo cósmico y discernir entre ambas. • La Sección 3 comienza con una breve descripción de los aspectos fundamentales de los telescopios MAGIC y sus características principales (mecánica, electrónica, sensibilidad...). A continuación se detalla la cadena de análisis necesaria para la reducción de datos tomados con estos telescopios, dando especial importancia al software utilizado y a las rutinas necesarias para la realización de este estudio. • Los resultados del análisis realizado están expuestos en la Sección 4. Se comienza con una breve descripción de la región en la que se encuentra la fuente estudiada, caracterizando también las fuentes presentes en sus alrededores. A continuación se expone información sobre las observaciones realizadas con los telescopios MAGIC y de los datos con los que se va a realizar el análisis. Finalmente se detallan los resultados del mismo, a la vez que se discuten las posibles implicaciones de estos resultados. Además, se hará una breve exposición de los posibles mecanismos de aceleración de partículas hasta energías del orden de TeV que pueden tener lugar en una región de formación estelar. • En la Sección 5 se exponen las conclusiones extraídas de este análisis y de los estudios realizados. • Finalmente en la Sección 6 se recogen algunas perspectivas futuras, tanto generales con respecto a la astronomía de rayos γ y muy altas energías, como enfocadas a profundizar más en el estudio de esta fuente y de otras regiones de formación estelar. • El proyecto cuenta también con un apéndice grá co donde se incluyen las guras de menor relevancia en el análisis, y un apéndice bibliográ co donde se encuentran enumerados todos los artículos, libros y recursos consultados para la realización de este trabajo.

Very high energy (VHE) astronomy concerns the study of sources of γ-ray photons, with energies above 100 GeV, up to several TeV, being one of the most recent windows in the electromagnetic spectrum opened to be studied. Back in the 50's, Cherenkov radiation asociated with extragalactic high energy sources was detected, and since then, several telescopes were built for this purpose. This eld has experimented an enormous growth since the 50's, closely related to the study of cosmic rays and cosmic-ray air showers. The rst detection of Cherenkov radiation due to this cosmic-ray showers back in 1953 by Galbraith & Jelley [1] opened a new possibility of using this phenomenon to study high energy sources, what led to the development of techniques and facilities dedicated to this eld in the 60's. It was not however until the appearance of the imaging technique when the high energy astronomy really became as important as it is today. The last four decades have been the golden age of the VHE and the γ-ray astronomy, with the construction of ground-based and space-based observatories. Ground-based observatories started to raise in importance with the development of the imaging technique, resulting in the Imaging Atmospheric Cherenkov Telescopes (IACTs). Since 1989, several IACTs were built around the world. During this period of time, the most important projects in this eld were Whipple, a 10 m diameter telescope placed at Mt. Hopkins, Arizona, which made the rst VHE observation of the Crab Nebula back in 1989 [2], CAT (Cherenkov Array at Themis), located in the French Pyrenees, and HEGRA (High Energy Gamma Ray Astronomy), on the Canary island of La Palma, at the Roque de los Muchachos Observatory, leaders of the VHE astronomy. Now, the third generation of IACTs is operating, headed by three projects: H.E.S.S. (High Energy Stereoscopic System), located in the Khomas Highland in Namibia, MAGIC (Major Atmospheric Gamma-ray Imaging Cherenkov Telescope), located at the Roque de los Muchachos Observatory, and VERITAS (Very Energetic Radiation Imaging Telescope Array System), at the Fred Lawrence Whipple Observatory in southern Arizona. The next generation is under construction right now with the Cherenkov Telescope Array (CTA), an observatory that will improve the sensitivity of current IACTs in at least four orders of magnitude in energy, with improved angular and energy resolution [3][4]. At the same time, a di erent type of ground-based telescopes were developed, based on Water Cherenkov Detectors to detect γ-rays at several TeV and/or cosmic rays. The MILAGRO experiment was one of the rst generations of this detectors, followed by other observatories like the Tibet Air-Shower Array and ARGO-YBJ at the YangBaJing Cosmic Ray Observatory. The last ones of this type of instruments are HAWC (High Altitude Water Cherenkov) in Mexico and the Pierre Auger Observatory in Argentina, currently working [5]. With the rising importance of γ-ray astronomy, space-based observatories also began to be launched, with instruments that allowed to make direct observations of high-energy sources. Some of the most important missions are SAS-2 (Small Astronomy Satellite 2), EGRET (Energetic Gamma Ray Experiment Telescope) [6] or AGILE (Astrorivelatore Gamma ad Imagini Leggero) and its main instrument, GRID (Gamma Ray Imaging Detector). Since 2008, the instrument Fermi-LAT (Large Area Telescope) at Fermi γ-ray Space Telescope is operative, observing γ-rays with energies between 20 MeV and 300 GeV [4][7].