GAMMA-RAYS FROM SPIDER BINARIES - A search for gamma-ray emission around the nearby compact binary millisecond pulsar PSR J1720-0533

Abstract

Fermi Large Area Telescope (LAT) har ført til en drastisk økning i antall oppdagede kompakte binære millisekundpulsarer i Melkeveien (også kjent som "spiders"). Majoriteten av de kjente spider-pulsarene viser gammastråle-emisjon, noe som gjør undergruppen av denne pulsargruppen som ikke har detektert gammastråling til et interessant unntak. Disse "gammastille" pulsarene gir verdifulle begrensninger til modellering av den høyenergiske strålingen som stammer fra partikkel-akselerasjon i pulsarenes relativistiske magnetosfærer. I denne oppgaven gjennomfører vi en detaljert analyse av gammastråle-emisjonen fra området rundt PSR J1720-0533, en "black widow"-pulsar oppdaget i 2021. Med en estimert avstand på kun 0.2 kpc og en "spin-down"-luminositet på \dot{E} = 8.5E33 erg/s, er PSR J1720-0533 den nærmeste kjente black widow-pulsaren og en lovende kandidat for deteksjon av gammastråling på grunn av sin høye \dot{E}/d^2-verdi. Vi finner imidlertid fra en grundig analyse av Fermi-LAT's 14-årige datasett mellom 2008 og 2022 ingen betydelig deteksjon av gammastråling fra denne pulsaren. Vi rapporterer en 95% øvre grense på gammastråle-luminositeten på L < 5.8E30 erg/s (i energibåndet 0.1-100 GeV), som er den dypeste øvre grensen på en gammastråle-luminositet for noen pulsar per dags dato. Vi diskuterer de mulige fysiske forklaringene bak mangelen på deteksjon av gammastråler fra dette binærsystemet, og hvordan resultatene kan forbedre forståelsen vår av mekanismene som produserer gammastråling i de relativistiske magnetosfærene til millisekundpulsarer.

The Fermi Large Area Telescope (LAT) has led to a drastic increase in the population of compact binary millisecond pulsars in the Galactic field (also known as ‘spiders’). The majority of the known spider population shows gamma-ray emission, thus making the subset of this group of pulsars that remain undetected in gamma-rays an interesting exception. Gamma-ray quiet pulsars provide valuable constraints for modeling the high-energy emission originating from particle acceleration in the relativistic magnetospheres surrounding pulsars. In this thesis, we study in detail the gamma-ray emission from the region surrounding PSR J1720-0533, a black widow spider discovered in 2021. With an estimated distance of only 0.2 kpc and a spin-down power of \dot{E} = 8.5E33 erg/s, PSR J1720-0533 is the nearest known black widow, and a promising candidate for gamma-ray detection due to its large \dot{E}/d^2-value. However, from a detailed analysis of the full 14-year data set collected by the Fermi-LAT between 2008 and 2022, we find no significant detection of gamma-ray emission around the radio-timing position of PSR J1720-0533. We report a 95% upper limit on the gamma-ray luminosity of L < 5.8E30 erg/s (in the 0.1 − 100 GeV energy range), which is the deepest upper limit on the gamma-ray luminosity of any pulsar to date. We discuss possible physical explanations behind the non-detection of gamma-rays from this system, and how these results can improve our understanding of the gamma-ray emission mechanisms from the relativistic magnetospheres of millisecond pulsars.