Transient sources with LST-1: study of novae, supernovae, and gamma-ray bursts

Abstract

[eng] The branch of astrophysics that studies transient phenomena allows the exploration of astronomical sources that show temporal variability that can extend from a few fractions of a second to scales as long as tens of years. These transient events can give rise to a wide variety of phenomena observed throughout the electromagnetic spectrum. In some cases, these events may even be associated with the detection of gravitational waves or the emission of neutrinos. The detection of transient and highly energetic electromagnetic emission in the gamma-ray range (with energies above 100 MeV) is usually related to drastic changes in the environment of the system that emits this radiation. In some cases, these transitory phenomena can be produced due to their partial or total destruction. During these episodes, the source can become extremely luminous, becoming one of the brightest in the sky, even if it is located at cosmological distances. Despite advances in this field of research in recent years, the mechanisms that produce the emission of gamma rays from transient sources remain enigmatic, regardless of the nature of the source that produces them. Gamma rays in the energy range from tens of GeV to hundreds of TeV can be detected from the ground with Cherenkov telescopes. This Thesis is framed precisely in the study of transient sources using the first prototype of the new generation of Cherenkov telescopes, which will be part of the future Cherenkov Telescope Array Observatory (CTAO). The CTAO will be made up of different types of telescopes distributed over a large area, forming an array of Cherenkov telescopes in order to detect gamma rays in a wide range of energies. CTAO's largest telescopes, called Large-Sized Telescopes (LSTs), are optimized to detect relatively low-energy gamma rays of a few tens of GeV. The first of these telescopes (LST-1) is in the commissioning phase, although at the same time it is already beginning to give the first scientific results. In addition, there are currently three LSTs under construction. This thesis focuses on the study of transient sources in the range of very high energy gamma rays (100 GeV < E < 100 TeV). A detailed study of nova and supernova explosions (SNe) and gamma-ray bursts (GRBs) has been carried out. We studied the emission produced in the RS Ophiuchi source, the first nova explosion ever detected in the very high energy range. We analyzed data obtained concurrently with LST-1 and the Fermi-LAT telescope during this event. We have modeled its emission using the most complete gamma-ray spectrum ever obtained by an event of these characteristics, which includes in addition to the observations taken with LST1 and Fermi-LAT, the data obtained with the Cherenkov MAGIC and H.E.S.S. telescopes. We have also evaluated the prospects for future detections of new explosions with the CTAO, highlighting the excellent capabilities of LSTs to detect this type of event and restricting the relevant physical parameters involved in gamma-ray emission. We searched for very high-energy gamma-ray emission in two nearby supernovae produced during the collapse of a very massive star, labeled SN 2023ixf and SN 2024bch. These supernova explosions were observed with LST-1 and the MAGIC telescopes a few weeks after their discovery. Although neither of the two sources has been detected, we have been able to obtain upper limits to their possible flow of very high-energy gamma rays, emphasizing the strengths and limitations that observations in this range can offer for the understanding of the physical phenomena that give rise to this type of explosion. We studied the very high-energy gamma-ray emission of GRB 221009A, known as the brightest GRB of all time. Observations obtained with LST-1 show an excess of gamma rays with a statistical significance of 4.1σ during the first observations. We have restricted its emission of very high-energy gamma rays and compared it with several theoretical models that can consistently explain the multi-wavelength data obtained with different telescopes for this event. Our results can help resolve the current degeneration between some of these theoretical models compatible with the broadband emission of this event. The results obtained by these three types of sources highlight the excellent capabilities of LSTs for the study of transient gamma-ray sources. In addition, these results provide a first taste of the potential of CTAO to study these types of events.

[cat] La branca de l’astrofísica que estudia els fenòmens transitoris permet l’exploració de fonts astronòmiques que mostren variabilitat temporal que pot estendre’s des d’unes poques fraccions de segon fins escales tan llargues com desenes d’anys. Aquests esdeveniments transitoris poden donar lloc a una gran varietat de fenòmens observats en tot l’espectre electromagnètic. En alguns casos, aquests esdeveniments poden fins i tot estar associats a la detecció d’ones gravitacionals o a l’emissió de neutrins. La detecció d’emissió electromagnètica transitòria i molt energètica, en el rang dels raigs gamma (amb energies per sobre de 100 MeV) sol estar relacionada amb canvis dràstics en l’entorn del sistema que emet aquesta radiació. En alguns casos, aquests fenòmens transitoris poden ser produïts a causa de la seva destrucció parcial o total. Durant aquests episodis, la font pot esdevenir extremadament lluminosa, arribant a ser una de les més brillants del cel, inclús si es troba a distàncies cosmològiques. Malgrat els avenços en aquest camp d’investigació en els darrers anys, els mecanismes que produeixen l’emissió de raigs gamma provinents de fonts transitòries continuen sent enigmàtics, amb independència de la naturalesa de la font que els produeix. Els raigs gamma en el rang d’energies de desenes de GeV fins a centenars de TeV poden ser detectats des de terra amb els telescopis Txerenkov. Aquesta Tesi s’emmarca precisament en l’estudi de les fonts transitòries utilitzant el primer prototip de la nova generació de telescopis Txerenkov, que formarà part del futur Cherenkov Telescope Array Observatory (CTAO). El CTAO estarà constituït per diferents tipus de telescopis distribuïts al llarg d’una gran superfície, formant una matriu de telescopis Txerenkov per tal de detectar raigs gamma en un rang ampli d’energies. Els telescopis més grans del CTAO, anomenats Large-Sized Telescopes (LST), estan optimitzats per detectar raigs gamma d’energies relativament baixes, d’algunes desenes de GeV. El primer d’aquests telescopis (LST-1) es troba en fase de posada en servei tot i que paral·lelament ja està començant a donar els primers resultats científics. A més a més, actualment hi ha tres LSTs en construcció. Aquesta Tesi se centra en l’estudi de fonts transitòries en el rang de raigs gamma de molt alta energia (100 GeV < E < 100 TeV). S’ha realitzat un estudi detallat de les explosions de noves i supernoves (SNe) i dels esclats de raigs gamma (en anglès gamma-ray bursts, GRB). Hem estudiat l’emissió produïda en la font RS Ophiuchi, la primera explosió de nova mai detectada en el rang de molt alta energia. Hem analitzat dades obtingudes contemporàniament amb LST-1 i el telescopi Fermi-LAT durant aquest esdeveniment. Hem modelitzat la seva emissió fent servir l’espectre de raigs gamma més complet mai obtingut per un esdeveniment d’aquestes característiques, que inclou a més a més de les observacions preses amb LST1 i Fermi-LAT, les dades obtingudes amb els telescopis Txerenkov MAGIC i H.E.S.S. L’emissió de raigs gamma de RS Ophiuchi es pot explicar correctament en un escenari en hadrònic. També hem avaluat les perspectives per a futures deteccions d’explosions de noves amb el CTAO, ressaltant les excel·lents capacitats dels LSTs per detectar aquest tipus d’esdeveniments i restringint els paràmetres físics rellevants implicats en l’emissió de raigs gamma. Hem cercat emissió de raigs gamma de molt alta energia en dues supernoves properes produïdes durant el col·lapse d’un estel molt massiu, etiquetades SN 2023ixf i SN 2024bch. Aquestes explosions de supernova varen ser observades amb el LST-1 i els telescopis MAGIC poques setmanes després del seu descobriment. Tot i que cap de les dues fonts ha estat detectada, hem pogut obtenir límits superiors al seu possible flux de raigs gamma de molt alta energia, emfatitzant els punts forts i les limitacions que les observacions en aquest rang poden oferir per la comprensió dels fenòmens físics que donen lloc a aquest tipus d’explosions. Hem estudiat l’emissió de raigs gamma de molt alta energia del GRB 221009A, conegut com el GRB més brillant de tots els temps. Les observacions obtingudes amb el LST-1 mostren un excés de raigs gamma amb una significació estadística de 4.1σ durant les primeres observacions. Hem restringit la seva emissió de raigs gamma de molt alta energia i l’hem comparada amb diversos models teòrics que poden explicar d’una manera consistent les dades multilongitud d’ona obtingudes amb diferents telescopis per aquest esdeveniment. Els nostres resultats poden ajudar a resoldre l’actual degeneració existent entre alguns d’aquests models teòrics compatibles amb l’emissió de banda ampla d’aquest esdeveniment. Els resultats obtinguts per aquests tres tipus de fonts posen en relleu les excel·lents capacitats dels LSTs per a l’estudi de fonts de raigs gamma transitòries. A més, aquests resultats proporcionen un primer tast del potencial del CTAO per estudiar aquests tipus d’esdeveniments.