High energy processes in young stellar objects and high-mass X-ray binaries Pere Munar i Adrover Aquesta tesi doctoral està subjecta a la llicència Reconeixement- NoComercial 3.0. Espanya de Creative Commons. Esta tesis doctoral está sujeta a la licencia Reconocimiento - NoComercial 3.0. España de Creative Commons. This doctoral thesis is licensed under the Creative Commons Attribution-NonCommercial 3.0. Spain License. UNIVERSITAT DE BARCELONA Departament d’Astronomia i Meteorologia High energy processes in young stellar objects and high-mass X-ray binaries Pere Munar i Adrover Barcelona (Spain), March 2014 Programa de Doctorat en F´ısica L´ınia de recerca en Astronomia i Astrof´ısica 2010-2014 Mem`oria presentada per Pere Munar i Adrover per optar al grau de Doctor en F´ısica Director i Tutor Prof. Josep Maria Paredes Poy Contents Resum de la tesi v 1 Introduction 1 1.1High-energyastrophysics............................. 1 1.2 High-energy emission processes ......................... 2 1.2.1 Bremsstrahlung.............................. 3 1.2.2 Relativistic Bremsstrahlung ....................... 5 1.2.3 Synchrotron................................ 6 1.2.4 InverseCompton............................. 8 1.2.5 pp collisions ................................ 8 1.2.6 Photoelectricabsorption......................... 10 1.2.7 Coulombian losses ............................ 10 1.3 Particle acceleration ............................... 11 I Young Stellar Objects 13 2 Introduction 15 2.1Star-formingregions............................... 15 2.2Highenergyemissionfromstar-formingregions................ 16 2.2.1 High-massprotostars........................... 16 2.2.2 Low-massprotostars........................... 17 2.2.3 Otherhigh-energyemittingsources................... 18 3 Exploring the association of Fermi sources with young galactic objects 21 3.1Introduction.................................... 21 3.2 Cross-correlation of the First Fermi Catalog with massive young galactic objects....................................... 21 3.2.1 Catalogs.................................. 22 3.2.2 Spatialcoincidences........................... 23 3.2.3 MonteCarloanalysis........................... 24 3.3Results....................................... 25 3.3.1 Youngstellarobjects........................... 26 i CONTENTS 3.3.2 WRandOf-typestars.......................... 30 3.3.3 OBassociations.............................. 32 3.4Discussion..................................... 32 3.5Conclusions.................................... 34 4 Gamma-rays from Star-Forming Regions: the case of Monoceros R2 35 4.1Introduction.................................... 35 4.2Fermiobservationaldata............................. 37 4.3 Fermi /LATdataanalysis............................ 38 4.4Results....................................... 39 4.5Discussion..................................... 40 4.5.1 GammarayscomingfromamassiveYSO............... 41 4.5.2 T-Tauri stars in Monoceros R2 as possible gamma-ray sources . 43 4.5.3 Consideringotheroriginforthegamma-rayemission......... 43 4.6Conclusions.................................... 44 5 Studying the non-thermal lobes of IRAS 16547–4247 through a multi- wavelength approach 45 5.1Introduction.................................... 45 5.2 A physical model for IRAS 16547–4247 ..................... 46 5.3 XMM-Newton observationsandanalysis.................... 49 5.4Modelresultsanddiscussion........................... 52 5.4.1 Non-thermalhigh-energyemission................... 52 5.4.2 ConnectionwithX-rayobservations.................. 52 5.4.3 Inferringmediumconditionsfromradiodata............. 54 5.5Conclusions.................................... 56 II High-mass X-ray Binaries 57 6 Introduction 59 6.1Binarysystems.................................. 59 6.2X-raybinaries................................... 59 6.2.1 Low-massX-raybinaries......................... 60 6.2.2 High-massX-raybinaries........................ 61 6.3Gamma-raybinaries............................... 61 7 Discovery of X-ray emission from MWC 656, the first Be/Black hole system 65 7.1Introduction.................................... 65 7.2X-rayobservationsandanalysis......................... 66 7.3X-rayresults................................... 68 ii CONTENTS 7.4Discussion..................................... 70 7.4.1 Originofthethermalcomponent.................... 70 7.4.2 Originofthenon-thermalcomponent................. 70 7.4.3 MWC 656 within the BH radio/X-ray correlation ........... 72 7.5Conclusions.................................... 73 8 Search for VHE emission from MWC 656 with the MAGIC Telescopes 75 8.1Introduction.................................... 75 8.2Observations................................... 75 8.2.1 2012 observations ............................. 76 8.2.2 2013 observations ............................. 76 8.3DataAnalysis................................... 76 8.4Results....................................... 76 8.5Discussionandconclusions............................ 78 9 Detection of VHE gamma-rays from HESS J0632+057 during the 2011 February X-ray outburst with the MAGIC Telescopes 81 9.1Introduction.................................... 81 9.2Observations................................... 83 9.3DataAnalysis................................... 83 9.4Results....................................... 84 9.5Discussion..................................... 87 9.6Conclusions.................................... 90 10 Observations of the microquasar SS 433 with the MAGIC Telescopes 91 10.1TheSS433system................................ 91 10.1.1 Gamma-ray emission and absorption processes in SS 433 ....... 92 10.2VHEobservationsandresults.......................... 92 10.3Discussion..................................... 93 11 Concluding remarks 97 11.1Youngstellarobjectsandstar-formingregions................. 97 11.1.1MonocerosR2.............................. 98 11.1.2 IRAS 16547−4247 ............................ 98 11.2High-massX-raybinaries............................ 99 11.2.1MWC656................................. 99 11.2.2 HESS J0632+057 ............................. 99 11.2.3SS433...................................100 iii CONTENTS A The MAGIC Telescopes 101 A.1 The Imaging Cherenkov Telescopes .......................101 A.2 The MAGIC Telescopes .............................103 A.3TheMAGICanalysischain...........................103 B Exploring the minimum detectable time delay between X-ray and TeV emission in gamma-ray binaries with CTA 105 B.1Introduction....................................105 B.2Measuringthedelay...............................106 C Fermi /LAT sources coincident with OB associations 111 Bibliography 115 List of Figures 123 List of Tables 125 List of Acronyms 127 iv Resum de la tesi Processos d’alta energia en objectes estel·lars joves i bin`aries de raigs X d’alta massa L’astrof´ısica d’altes energies i en concret l’astrof´ısica de raigs gamma, estudia els processos d’emissi´o que no poden ser causats per mat`eria calenta, sin´o per altres mecanismes que anomenem no t`ermics i que comporten que la mat`eria que emet aquesta radiaci´o tingui energies per sobre d’1 MeV. Actualment disposem d’un bon nombre d’instruments capa¸cos de detectar aquesta emissi´o, com ara els sat`el·lits Fermi i AGILE o els telescopis Cherenkov com MAGIC, a la superf´ıcie terrestre. En aquesta tesi hem estudiat principalment dos tipus de sistemes que, tal com s’ha observat o predit te`oricament, poden produir radiaci´o gamma: els objectes estel·lars joves i els sistemes binaris de raigs X d’alta massa. Els objectes estel·lars joves els trobem a les regions de formaci´o estel·lar, que s´on els bressols on noves estrelles s’estan formant. Aquestes regions consten sobretot de n´uvols de gas o pols que s´on escalfats per la radiaci´o que emeten les estrelles joves i les protoestrelles al seu interior. Les caracter´ıstiques d’aquestes regions s´on principalment la seva elevada densitat i la seva opacitat alaradiaci´o`optica, que fa que molts cops apareguin com a regions fosques sobre el fons d’estrelles. La manera que tenim d’estudiar aquestes regions ´es per mitj`a d’altres longituds d’ona, com ara l’infraroig o les ones de r`adio. Aquests dos tipus de radiaci´o poden escapar f`acilment dels n´uvols moleculars i gr`acies a aix`o coneixem el que succeeix al seu interior. Els pobladors de les regions de formaci´o estel·lar s´on les protoestrelles i les estrelles joves, entre altres objectes celests. Les protoestrelles s´on l’estadi que predeceix a la seq¨u`encia principal d’una estrella. En aquest estadi de la seva evoluci´o, trobem que la pro- toestrella est`a encara acretant mat`eria del n´uvol progenitor a trav´es d’un disc d’acreci´o, i al mateix temps expulsa material en direcci´o perpendicular a aquest disc per mitj`a d’uns dolls formats per interacci´o magn`etica. En aquests dolls de mat`eria les part´ıcules s´on expulsades a grans velocitats cap a fora del sistema. En alguns casos, aquestes part´ıcules assoleixen velocitats relativistes tal com evidencia la detecci´o d’emissi´or`adio no t`ermica en alguns d’aquests objectes. En aquesta tesi ens hem interessat per trobar evid`encia de m´es objectes estel·lars joves que presentin emissi´onot`ermica, ja sigui en el rang dels raigs X o, sobretot, en el rang v Resum de la tesi dels raigs gamma. Per a trobar nous candidats hem aprofitat el primer cat`aleg del sat`el·lit Fermi i l’hem creuat amb cat`alegs d’objectes joves de la Gal`axia. D’aquest creuament n’ha sorgit una llista de fonts candidates a ser les contrapartides de