Gamma-Ray Emission from Microquasars
Total Page：16
File Type：pdf, Size：1020Kb
UNIVERSIDAD DE BUENOS AIRES Facultad de Ciencias Exactas y Naturales Departamento de F´isica Gamma-Ray Emission from Microquasars by Mar´ia Marina Kaufman Bernad´o Supervisor: Dr. Gustavo E. Romero arXiv:astro-ph/0504498v1 22 Apr 2005 Working Place: Instituto Argentino de Radioastronom´ia (I.A.R.) Thesis Work for PhD Degree issued by the University of Buenos Aires December 15th 2004 Abstract Microquasars, X-ray binary systems that generate relativistic jets, were discovered in our Galaxy in the last decade of the XXth century. Their name indicates that they are manifestations of the same physics as quasars but on a completely different scale. Parallel to this discovery, the EGRET instrument on board of the Compton Gamma Ray Observatory detected 271 point like gamma-ray sources 170 of which were not clearly identified with known objects. This marked the beginning of gamma-ray source population studies in the Galaxy. We present in this thesis models for gamma-ray production in microquasars with the aim to propose them as possible parent populations for different groups of EGRET unidentified sources. These models are developed for a variety of scenarios taking into account several possible combinations, i.e. black holes or neutron stars as the compact object, low mass or high mass stellar companions, as well as leptonic or hadronic gamma-ray production processes. We also show that the presented models for gamma-rays emitting microquasars can be used to explain observations from well known sources that are detected in energy ranges other than EGRET’s. Finally, we include an alternative gamma-ray producing situation that does not involve microquasars but a specific unidentified EGRET source possibly linked to a magnetized accreting pulsar. Keywords Microquasars • Gamma-Ray Sources • Radiative processes: Non-Thermal • Black Holes • Accretion Disks • Jets • iii Jury: Dr. P. Biermann (Max Planck Institute of Radioastronomy - Bonn) Dr. D. G´omez (University of Buenos Aires) Dr. J.M. Paredes (University of Barcelona) Dr. F. Minotti (University of Buenos Aires) v Najini skupni prihodnosti, za katero sva se tako dolgo borila. A mi madre y a mi hermana [Jai Singh, observando las estrellas]: Medir, computar, entender, ser parte, entrar, morir menos pobre, oponerse pecho a pecho a esa incomprensibili- dad tachonada, arrancarle un jir´on de clave, hundirle en el peor de los casos la flecha de la hip´otesis, la anticipaci´on del eclipse, reunir en un pu˜no mental las riendas de esa multitud de caballos centelleantes y hostiles. Prosa del observatorio JULIO CORTAZAR´ ix Agradecimientos En las siguientes l´ineas quisiera agradecer a todas aquellas personas que directa o indirectamente contribuyeron en esta etapa de mi vida que comenz´oen junio de 1999 con mi retorno a la Argentina luego de recibirme en Suecia y que culmina hoy, 15 de diciembre de 2004, con la obtenci´on del t´itulo de Doctora en Ciencias F´isicas. Al llegar a la Argentina en junio de 1999, me acababa de recibir de Lic. en F´isica y hab´ia realizado un trabajo de diploma que consisti´oen una revisi´on so- bre las Explosiones de Rayos Gamma (GRBs, del ingl´es Gamma-Ray Bursts). La situaci´on era dif´icil: no ten´ia ninguna perspectiva de doctorado, no conoc´ia a nadie que pudiese dirigirme en esa fase y tampoco ten´ia trabajo. El tiempo y mucha gente posibilitaron que partiendo de dicho contexto llegase sin embargo hoy a coronar esta etapa con este doctorado que se titula Emisi´on de Rayos Gamma en Microcu´asares. Empezar´epor mi director de doctorado, el Dr. Gustavo E. Romero. En primer lugar le agradezco su dedicaci´on y sus esfuerzos permanentes por integrarme a la comunidad de la astrof´isica de altas energ´ias. Nunca dud´oen hacerme un lugar, en brindarme oportunidades. Siempre me empuj´oa que me moviera en forma in- dependiente. Por sus ense˜nanzas, que excedieron lo estrictamente relacionado con lo acad´emico, y por guiarme siempre con el af´an de que creciera profesionalmente. Quisiera agradecerle tambi´en el haberme dado un espacio para disentir, un espacio para la discusi´on, un espacio para acordar. Por haberme tratado siempre como una colaboradora, d´andole importancia desde un principio a los aportes que yo misma pudiera realizar. En fin Gustavo, gracias por ser mi director con todas las letras y un gran amigo. Quisiera agradecer a las autoridades del Instituto Argentino de Radioastronom´ia (I.A.R.) y a todo su personal en general por siempre colaborar conmigo, por estar atentos a mis necesidades y por alegrarse ante mis logros. Al CONICET por otorgarme la beca de doctorado con la que este proyecto se llev´oa cabo. A la Asociaci´on Antorchas por otorgarme una beca de finalizaci´on de doctorado que me permiti´odedicarme con total exclusividad al cierre de este proyecto durante 1 a˜no. A la Direcci´on de Relaciones Internacionales de la SECyT, al Minist`ere des Affaires Etrang`eres (DGCID) y al Minist`ere de l’Education Nationale (DRIC) por otorgarme en dos ocasiones subsidios para realizar estad´ias de colaboraci´on con gru- pos de investigaci´on en Francia en el marco de los denominados proyectos ECOS. Esto me permiti´osumarle un ingrediente fundamental al desarrollo de mi doctora- do: el contacto con grupos extranjeros. As´i no solamente pude desarrollar una muy firme relaci´on con el grupo de la Dra. Isabelle Grenier (Service d’Astrophysique, CEA, Saclay, Francia) sino tambi´en con el grupo del Dr. Josep Mar´ia Paredes (Universidad de Barcelona) y con el grupo del Dr. Peter Biermann (Max Planck xi Institut f¨ur Radioastronomie - Bonn). Al Dr. Diego Harari por su respaldo y aval que fueron fundamentales en los comienzos del desarrollo de este doctorado. Al Dr. Esteban Bajaja y al Dr. Anders Karlhede por brindarme su apoyo a trav´es de sus cartas de referencia que formaron parte de mi postulaci´on a la beca de doctorado con la que realic´eeste proyecto. A Marta Pedernera por la infinita paciencia con la que gui´olos ´ultimos pasos burocr´aticos de este doctorado en su presentaci´on oral y escrita. Por recibir cada una de mis consultas siempre con una sonrisa. Al Dr. Jorge Devoto y a la Lic. Silvia Cederbaum por darme una mano enorme al llegar de Suecia. Gracias por confiar en m´i, gracias por ayudarme a integrarme al mundo educativo universitario, gracias por permitirme dar mis primeros pasos como docente universitaria, gracias por recomendarme y por haberme dado opor- tunidades que fueron para m´i fundamentales. A Isabel, Nora, Ada y Susana, mis compa˜neras de trabajo en la Facultad de In- geniera de la UBA, por ser tan agradable trabajar con ellas, por la paciencia que me tuvieron en mis comienzos, por ense˜narme tanto y por corregir muchos ex´amenes en mi nombre cuando tuve que realizar viajes relacionados con mi doctorado. Por seguir tan de cerca la evoluci´on de mi doctorado y por alegrarse siempre mucho ante cada paso que logr´edar. Por lo mucho que me cuidaron. A Diego Torres por ese cartelito que dej´oen aquel p´oster que present´een 1999 al volver de Suecia. Por interesarse en mi trabajo, por darme la oportunidad de trabajar con ´el y ayudarme a dar mis primeros pasos luego de recibida. Por po- nerme en contacto con el que fue mi director de tesis, Gustavo Romero. En fin por ubicarme y ofrecerme un lugar cuando todo se ve´ia muy difuso e incierto. Por siem- pre confiar en m´i y por sus muchas cartas de referencias que tan ´utiles me resultaron. A Jorge Combi por ser un muy buen compa˜nero de trabajo. Un agradecimiento lleno de ternura por aquellos primeros pasitos dados junto a ´el. Por ense˜narme la existencia y el uso de las bases de datos astrof´isicas y por las clases de AIPS que tan gentilmente me dio al principio. A Ernesto Eiroa por ayudarme en mis comienzos en el uso del programa “mate- m´atica” (programa que utilic´edurante todo mi doctorado) y por estar siempre dispuesto a aclarar cualquier duda que al respecto me surgiera. A Mariana Orellana por ser una excelente colaboradora y compa˜nera de tra- bajo. Por acompa˜narme en mis corridas de ´ultimo momento y por participar tan activamente de uno de los cap´itulos de esta tesis. xii A la Dra. Isabelle Grenier por recibirme en Saclay y por su colaboraci´on que des- de un principio estuvo llena de confianza y entusiasmo. Por las muchas discusiones de trabajo que tuvimos personalmente o por tel´efono que siempre esclarecieron dudas y me sirvieron para avanzar en el entendimiento de temas directa o indi- rectamente relacionados con mi tesis. Por los momentos compartidos de intenso trabajo. Gracias Isabelle por tu apoyo permanente y por trabajar conmigo de man- era tan abierta y pareja. Al Dr. Peter Biermann porque desde que lo conoc´i me puso a prueba y confi´oen m´i. Por su entusiasmo y permanente apoyo. Por invitarme en dos oportunidades a realizar estad´ias cortas en su lugar de trabajo (Max Planck Institut - Bonn) que me permitieron entrar en contacto con otros investigadores. Por las discusiones que pude tener con ´el y que siempre fueron tan fruct´iferas porque abarcan un amplio abanico de temas en los que ´el trabaja. Gracias Peter por estar siempre tan pen- diente de mis pasos. Al Dr. Josep Mar´ia Paredes porque desde que lo conoc´i me trat´ocomo a una colega. Por las discusiones que abarcaron tanto lo profesional como las que lo ex- cedieron y de las cuales siempre saqu´ealguna conclusi´on provechosa.