Search and study of massive runaway stars in the Milky Way and impact on high-energy binaries

Abstract

[eng] Massive stars are ubiquitous in many astrophysical phenomena. A significant fraction of massive stars are runaways, displaying high velocities with respect to their environment. Due to their formation scenarios, runaway stars play a relevant role in cluster and binary physics. However, the relative contribution of runaway formation scenarios, their role in massive binary evolution, and their relation with binary products hosting compact objects (COs) are not well constrained. In particular, some of these binaries with CO can be high-energy sources. Although some studies have been conducted in the Magellanic Clouds, the massive runaway star population in the Milky Way remains poorly explored. The Data Release 3 (DR3) of the Gaia mission of the European Space Agency (ESA) has provided data with unprecedented astrometric precision, allowing us to derive accurate distances and proper motions that are key to identify runaway stars in the Milky Way. The central aim of this thesis is to improve the understanding of the massive runaway star population in the Milky Way. A secondary aim is to study their connection with high-energy binaries. To achieve these objectives, we developed a novel and self-consistent method to identify runaway stars which avoids the use of velocity thresholds, in contrast to previous works. This allows us to detect runaway stars as well as walkaway stars. The characterization of the runaway stars was done with Gaia-DR3 data, complemented with multiwave- length archival data, dedicated radio observations, and high-resolution IACOB spectroscopic information. We identified 106 and 69 O- and Be-type Galactic massive runaway stars, with half of them being new discoveries. We characterized their spatial and velocity distributions in the Galaxy. We found higher velocities and runaway fractions for the O-type stars, in agreement with predictions for dynamical ejections from clusters. This work resulted in the compilation of two runaway catalogs, including precise distance and velocity estimates. In addition, we studied the interaction of these runaway stars with the interstellar medium (ISM) using WISE data, discovered new stellar bow shocks and bubbles, and derived ISM densities around them. Radio searches around these bow shocks resulted in no new detections, although the results obtained served to model the nature of their potential radio emission. We conducted a large and unprecedented observational study of O-type runaway stars in the Milky Way in space and rotational velocities, as well as in binarity classifications, obtained in a homogeneous way. To this end, we combined our runaway star catalogs with IACOB spectroscopic data. We found that most runaway stars appear to be single, confirming theoretical expectations, while most are slow rotators. The trends observed in the investigated parameter space were used to identify potential imprints of the runaway ejection mecha- nisms in the studied Galactic runaway population, offering valuable constraints on models about runaway origins. We found an interesting sample of runaway binary systems, some of which are high-mass X-ray binaries (HMXBs) or gamma-ray binaries. In particular,

we find an overabundance of runaways among the known gamma-ray bina- ries. Within the O-type runaway star sample, we identified some runaway single-lined spectroscopic binary systems, with half of them being HMXBs or candidates to host black holes. The latter exhibit similar properties to the HMXBs within our investigated parameter space. Altogether, these runaway binary systems represent a rich sample for potentially hosting COs. We also searched for very-high-energy (VHE) gamma-ray emission from the HMXB Cygnus X-3 with the MAGIC Telescopes. We analyzed the largest VHE data set and found no significant emission. We provided the most stringent constraints on the VHE flux to date, which could offer insights into the system properties. In conclusion, this thesis has deepened the knowledge of massive runaway stars in our Galaxy. It provides robust runaway star classifications, new empir- ical constraints on runaway formation mechanisms, and interesting runaway binaries potentially hosting COs, which could eventually show high-energy emission. Since massive runaway stars are crucial to many astrophysical phe- nomena, all catalogs compiled in this thesis are openly published to broaden the research impact beyond its immediate scope. Future larger catalogs of massive stars and Gaia DR4 will enable a more comprehensive study of runaway stars, which could allow the discovery of new high-energy binaries through multiwavelength studies, and potentially refine the observed trends, binary evolution models, and ultimately, the understanding of massive binary interaction.

[cat] Les estrelles massives són rellevants en multitud de fenòmens astrofísics. Una fracció significativa d’aquestes estrelles són fugitives, movent-se a gran velocitat respecte el seu entorn. Degut als seus escenaris de formació, les estrelles fugitives tenen un paper molt important en la física de cúmuls estel·lars i sistemes binaris. No obstant, hi ha moltes preguntes obertes sobre la contribució relativa d’aquests escenaris de formació, el seu paper en l’evolució de sistemes binaris i la seva relació amb els sistemes binaris amb objectes compactes. Encara que existeixen estudis sobre estrelles fugitives als Núvols de Magallanes, la població d’estrelles massives fugitives a la nostra Galàxia està poc explorada. La tercera publicació de dades de la missió Gaia de l’Agència Espacial Europea (ESA en anglès), Data Release 3 (DR3), ha proporcionat dades astromètriques amb una precisió sense precedents, permetent així estimar paral·laxis i moviments propis precisos. Aquests, són clau per identificar estrelles fugitives a la Via Làctia. L’objectiu principal d’aquesta tesi és millorar la comprensió de la població d’estrelles massives fugitives a la Via Làctia. Un objectiu secundari és estudiar la seva connexió amb sistemes binaris d’alta energia. Per tal d’assolir aquests objectius, hem desenvolupat un mètode nou i autoconsistent per identificar estrelles fugitives que evita l’ús de llindars de velocitat, en contraposició amb treballs anteriors. D’aquesta manera, aquest mètode permet detectar tant estrelles fugitives com estrelles caminants. La caracterització de les estrelles fugitives s’ha fet amb dades de Gaia DR3 i ha estat complementada amb dades multi-longitud d’ona d’arxiu, observacions ràdio dedicades i informació espectroscòpica d’alta resolució de IACOB. Hem identificat 106 estrelles de tipus O i 69 estrelles de tipus Be a la Galàxia, la meitat de les quals són noves identificacions. Hem caracteritzat la seva distribució espacial i de velocitat a la Galàxia. Hem trobat velocitats i percentatges d’estrelles fugitives més alts en les estrelles de tipus O, tal i com prediuen simulacions d’ejeccions dinàmiques en cúmuls estel·lars. Aquest treball ha resultat en la creació de dos catàlegs d’estrelles fugitives que inclouen estimacions precises de distàncies i velocitats. A més, hem estudiat la interacció d’aquestes estrelles fugitives amb el medi interstel·lar (ISM en anglès) utilitzant dades del satèl·lit WISE. Com a resultat, hem descobert nous xocs de proa i bombolles estel·lars i hem derivat densitats del ISM al seu voltant. Cerques en ràdio en les posicions dels xocs de proa no han proporcionat noves deteccions, encara que els resultats obtinguts han servit per modelitzar la naturalesa de la seva potencial emissió en longituds d’ona ràdio. A més, hem realitzat un estudi extensiu i sense precedents d’estrelles fugitives de tipus O a la Via Làctea, en velocitats espacials i de rotació, així com en classificacions com a binàries, obtingudes de manera homogènia. Per dur-lo a terme, hem combinat els nostres catàlegs d’estrelles fugitives amb dades espectroscòpiques de IACOB. Hem trobat que la majoria d’estrelles fugitives semblen ser aïllades, confirmant prediccions teòriques, mentre que la majoria són rotadores lentes. Les tendències observades en l’espai de paràmetres investigat s’han utilitzat per identificar possibles traces dels mecanismes d’ejecció de

fugitives en la població Galàctica estudiada, oferint restriccions valuoses pels models sobre els possibles orígens de les estrelles fugitives. Hem trobat un conjunt interessant de sistemes binaries fugitius, alguns dels quals són sistemes binaris de raigs X d’alta massa (HMXBs en anglès) o sistemes binaris de raigs gamma. En particular, trobem una superabundància de fugitives entre els sistemes binaris de raigs gamma coneguts. En la mostra d’estrelles fugitives de tipus O, hem identificat alguns sistemes binaris espectroscòpics d’una sola línia que són fugitius, la meitat dels quals són HMXBs o candidats a contenir forats negres. Aquest últims mostren propietats similars als HMXBs dins l’espai de paràmetres investigat. En conjunt, aquests sistemes binaris fugitius representen una mostra interessant per contenir potencialment objectes compactes. També hem investigat l’emissió de raigs gamma de molt alta energia (VHE en anglès) del HMXB Cygnus X-3 amb els telescopis MAGIC. Hem analitzat el conjunt de dades VHE més extens a data d’avui i no hem trobat emissió significativa. Aquests resultats constitueixen les restriccions més estrictes sobre el flux de VHE, les quals podrien ajudar a entendre les propietats del sistema. En conclusió, aquesta tesi ha aprofundit en el coneixement d’estrelles massives fugitives en la Galàxia. Proporciona classificacions robustes d’estrelles fugitives, noves restriccions empíriques en els mecanismes de formació de fugitives i interessants sistemes binaris fugitius que podrien contenir objectes compactes. Alguns d’aquests sistemes podrien mostrar emissió d’alta energia. A més, com que les estrelles massives fugitives són crucials en molts fenòmens astrofísics, tots els catàlegs obtinguts en aquesta tesi s’han publicat obertament per tal d’ampliar l’impacte de la recerca més enllà de l’abast immediat d’aquesta tesi. Els futurs i més grans catàlegs d’estrelles massives i Gaia DR4 permetran un estudi exhaustiu d’estrelles fugitives, que podria permetre el descobriment de nous sistemes binaris d’alta energia mitjançant estudis multi-longitud d’ona i millorar les tendències observades, els models d’evolució estel·lar en sistemes binaris i, en última instància, la comprensió de la interacció en sistemes binaris d’estrelles massives.