Studio delle pulsars e del loro ambiente attraverso osservazioni gamma alle altissime energie

This thesis illustrates the activities and the results that I have performed during my PhD course at the University of Padova. My work was mainly focused on the study of some classes of Galactic sources: pulsars, millisecond pulsars and transitional millisecond pulsars in the most energetic part of the electromagnetic spectrum, the Very-High-Energy (VHE), >100 GeV, gamma ray regime. Pulsars are very dense (about 1018 kg/m3), extremely magnetized (107−1015 G) and rapidly rotating neutron stars, formed after supernova explosions. A standard pulsar has a mass of 1.44 M⊙ and a radius of about 10 km. Most known pulsars are observed in radio but they can also produce detectable optical, X-ray and gamma-ray pulsations, up to the VHE range. Pulsars show complex behaviors and in particular the underlying mechanism by which they emit electromagnetic radiation is still not fully understood. Thanks to their coherent radiation, emitted in the form of collimated beams from the two magnetic poles, they can be exploited as special natural laboratories for fundamental Physics. Some pulsars rotate at an incredible rate of a few hundred times per second, making them the fastest-spinning stars known in the Universe. They are the so-called Millisecond Pulsars (MSPs). Generally, they have spin-periods of 1−30 ms and lower magnetic fields than standard pulsars (107 −1010 G). They are “recycled” pulsars that accrete matter and angular momentum from a companion star. In particular, there is a class of MSPs which belong to binary systems: the Transitional MSPs (tMSPs). They are neutron stars rotating at a period of a few milliseconds which undergo transi- tions between two states: a bright X-ray pulsar regime powered by the accretion onto the neutron star surface of matter transferred by the companion star and a radio (and possibly gamma-ray) pulsar regime powered by the energy loss due to the fast rotation of the neutron star magnetic field. The transitions between the two regimes take place on short time-scales of less than a few weeks. My research is mainly focused on studying the VHE emission and gamma-ray pulsation from two of the best pulsars candidates for VHE gamma-ray emission: PSR J0218+4232 (a MSP) and PSR J2229+6114 (a regular pulsar). Up to now, only three pulsars have been detected at VHE: the Crab Pulsar (Aliu et al., 2008), the Vela Pulsar (H. E. S. S. Collaboration et al., 2018a) and, very recently, the Geminga Pulsar (MAGIC Collaboration et al., 2020). In particular I used data taken with the Major Atmospheric Gamma-ray Imaging Cherenkov (MAGIC) telescopes located at the Observatory of the Roque de Los Muchachos in the Canary Island of La Palma. The data were taken with the Sum- Trigger-II system which has an energy threshold of about tens of GeV, in order to increase the detection efficiency at the lowest energies reached by MAGIC. This system is extremely useful to detect soft gamma-ray sources, such as pulsars. In the search for pulsed emission from both sources, PSR J0218+4232 and PSR J2229+6114, no signal or pulsed emis- sion above 20 GeV was found with the MAGIC telescopes. The sources were also studied using Fermi-LAT and PSR J0218+4232 shows high energy pulsed emission above 25 GeV and PSR J2229+6114 above 20 GeV. During my PhD I dedicated a part of the time also to the study of the prospects for VHE gamma-ray emission from tMSPs, in particular from the two systems PSR J1023+0038 and XSS J12270-4859, during their accretion disk state. I studied their Fermi-LAT emission considering different spectral models and then I investigated the feasibility to detect them with the future Cherenkov Telescope Array (CTA) and the prospect for studying them.

Questa Tesi illustra le attività ed i risultati che ho ottenuto durante il mio corso di dottorato presso l’Università degli Studi di Padova. Il mio lavoro si è concentrato principalmente sullo studio di alcune classi di sorgenti Galattiche che emettono nella parte più energetica dello spettro elettromagnetico, le altissime energie VHE (>100 GeV): pulsars, mil- lisecond pulsars e transitional millisecond pulsars. Le pulsars sono stelle di neutroni estremamente dense (circa 1018 kg/m3) e in rapida rotazione che si formano durante l’esplosione di una stella massiccia ed altamente magnetizzata (107-1015G). Una pulsar standard ha una massa di 1.44 M⊙ e un raggio di circa 10 km. Le pulsars più conosciute emettono nella banda radio ma possono anche produrre pulsazioni ottiche, X e gamma, fino al range delle VHE. Mostrano comportamenti complessi e, ad oggi, il meccanismo con cui emettono non è stato ancora del tutto compreso. Grazie alla loro radiazione coerente emessa sotto forma di fasci collimati uscenti dai due poli magnetici, le pulsar possono essere sfruttate come speciali laboratori per studiare la Fisica fondamentale. Alcune di queste pulsars ruotano ad una velocità incredibile, alcune centinaia di volte al secondo, diventando così le sor- genti che ruotano più velocemente nell’Universo e che per questo vengono definite pulsars al millisecondo, MSPs. In generale hanno periodi di rotazione di 1−30 ms e dei campi magnetici più deboli rispetto alle pulsars normali (107-1010 G). Sono pulsars “riciclate” che acquistano materia e momento angolare dalla stella compagna. Esiste poi una partico- lare classe di MSP: le tMSPs. Sono sorgenti che periodicamente passano da una fase in cui si comportano come MSP radio a una fase in cui la pulsazione radio si spegne e si comportano come sistemi binari in accrescimento in cui la stella di neutroni inizia a risucchiare materia dalla compagna, cambiando radicalmente la sua fenomenologia. La transizione tra i due stati avviene in tempi brevi, dell’ordine di quache settimana. Il mio lavoro è principalmente dedicato allo studio dell’emissione VHE e alla ricerca di pulsazione gamma da parte di due sorgenti candidate ad emettere questo tipo di emissione: PSR J0218+4232 (una MSP) e PSR J2229+6114 (una pulsar regolare). Ad oggi sono state rilevate solo tre pulsars nel range delle altissime energie: Crab Pulsar (Aliu et al., 2008), Vela Pulsar (H. E. S. S. Collaboration et al., 2018a) e, molto recentemente, Geminga Pulsar (MAGIC Collabo- ration et al., 2020). In particolare, ho lavorato sui dati raccolti con i telescopi MAGIC situati presso l’Osservatorio di Roque de Los Muchachos nell’isola delle Canarie di La Palma. I dati sono stati presi con il Sum-Trigger-II, un sistema di trigger che, con una soglia di energia di decine di GeV, è in grado di aumentare l’efficienza dei telescopi MAGIC alle più basse energie. Questo sistema è utile per rilevare sorgenti gamma estremamente deboli, come le pulsar. Purtroppo con i telescopi MAGIC non è stato trovato alcun segnale, o emissione pulsata, superiore a 20 GeV, proveniente dalle due sorgenti. Le due sorgenti sono state inoltre osservate e studiate anche utilizzando i dati raccolti dal satellite Fermi-LAT e da quest’analisi risulta che PSR J0218+4232 ha un’emissione pulsata superiore ai 25 GeV, mentre PSR J2229+6114 superiore ai 20 GeV. Una parte del dottorato l’ho dedicata allo studio delle prospettive di emissione delle tMSPs nel range delle altissime energie, in particolare da parte di PSR J1023+0038 e XSS J12270-4859 durante il loro stato di accrescimento. Ho studiato i dati raccolti dal satellite Fermi-LAT considerando diversi modelli spettrali per poi studiare la possibilità di rilevarli con il futuro CTA.