Gamma-ray binaries are extreme systems that produce non-thermal emission from radio to very-high-energy (above TeV) gamma rays, with the energy output in the spectral energy distribution (SED) dominated by the MeV–GeV photons. Their broadband emission is usually modulated by the orbital cycle of the system, which suggests that the physical conditions are also periodic and reproducible. The diversity of systems, together with the reproducibility of the conditions within each system, makes gamma-ray binaries excellent physical laboratories in which high energy particle acceleration, diffusion, absorption, and radiation mechanisms can be explored. Nevertheless, the number of known gamma-ray binaries is still very limited, and only a six binary systems have been classified as gamma-ray binaries. These systems produce outflows of relativistic particles emitting synchrotron radio emission that extend up to several astronomical units, which correspond to projected angular scales of a few milliarcseconds (mas) at typical distances of 2-3 kpc. Very Long Baseline Interferometry (VLBI) provide mas resolution and therefore can be used to directly see this radio outflow. In this thesis we present VLBI observations of five of the six gamma-ray binaries known. We have revealed for the first time the radio structure of two gamma-ray binaries, and found periodic changes in the structure of other two. Based on these results, we have established the basic properties and behaviour of the radio emission of gamma-ray binaries on AU scales, and we have contributed to find characteristics that are common to all of them. / En los últimos años se ha producido una mejora significativa de los instrumentos que permiten observar fenómenos astrofísicos en rayos gamma de alta y muy alta energía. Gracias a estos avances, se ha podido detectar emisión de rayos gamma en sistemas binarios. Tan sólo seis sistemas binarios han sido clasificados como estrellas binarias de rayos gamma (tres de ellos aún son candidatos). Estos sistemas producen chorros de material relativista que a su vez producen grandes cantidades de energía en todo el espectro electromagnético, desde ondas radio hasta emisión de rayos gamma hasta energías del teraelectronvolt (TeV). Estos chorros se desplazan a alta velocidad produciendo estructuras en escalas de varias unidades astronómicas (UA). Estas estructuras pueden ser observadas directamente mediante técnicas de interferometría radio de muy larga línea de base (VLBI). En esta tesis nos centramos en el estudio de las propiedades morfológicas y astrométricas de binarias de rayos gamma observadas mediante VLBI. De las seis binarias conocidas, se han observado cinco de ellas. Los resultados principales son los siguientes. Se ha detectado estructura extendida en escalas de 120 UA en el sistema binario PSR B1259-63. Esta ha sido la primera evidencia observacional de que púlsares jóvenes no acretantes interaccionando con estrellas jóvenes pueden producir emisión radio extendida. Se ha descubierto que la emisión del sistema LS 5039 muestra cambios periódicos en su morfología, que son estables en escalas de varios años. También se ha determinado el movimiento propio de este sistema y se ha obtenido su trayectoria galáctica en el pasado. Se ha confirmado que el sistema LS I +61 303 muestra variabilidad orbital periódica, aunque presenta cambios significativos en ciertas fases orbitales. Se ha encontrado un desplazamiento del pico de la emisión a varias frecuencias, así como un cambio en sus posiciones relativas. Se ha descubierto emisión extendida procedente de la fuente de rayos gamma HESS J0632+057, y se ha confirmado inequívocamente su asociación con el sistema binario MWC 148. Por último, no se ha encontrado contrapartida radio a la fuente de rayos gamma AGL 2241+4454, cuya contrapartida óptica ha sido propuesta en el sistema MWC 656. Estos resultados permiten sentar las bases de la estructura en escalas de varias UA de los sistemas binarios de rayos gamma, así como su comportamiento en función de la fase orbital. Las características comunes halladas en estos sistemas ha permitido encontrar enlaces observacionales entre estos sistemas, dando consistencia a este particular grupo de estrellas que presentan emisión en rayos gamma.

Gamma-ray binaries are systems that comprise a young, massive star and a compact object that can be either a young pulsar or a black hole. They emit radiation from radio up to tens of TeV and show flux variability along the whole electromagnetic spectrum. For three of the four detected gamma-ray binaries, the nature of the compact object is unknown. In this thesis we present a study of gamma-ray binaries through three approaches that involve the simultaneous study of these sources in X-rays and very high energy (VHE) gamma-rays. We present the discovery of correlated X-ray and VHE gamma-ray emission from LS I +61 303. The correlations indicates that the emission from these two bands could be originated in the same parent particle population, and we explore this idea through the calculation of a radiative model. This model allows us to significantly constrain the physical properties of the non-thermal emitter in LS I +61 303. For those systems where the compact object is a young pulsar, the interaction between the stellar and pulsar winds will give rise to strong shocks. The shocked pulsar wind is the candidate location for non-thermal emission from these systems. The shocked stellar wind should give rise to a thermal X-ray spectrum, but no such features have been detected in the X-ray spectrum of gamma-ray binaries. We present a model of the thermal emission of the shocked stellar wind and use it to constrain the pulsar properties. We have applied this method to two X-ray observations of LS 5039 and have successfully constrained the pulsar spin-down luminosity. Finally, we present a search for VHE emission from Scorpius X-1 through a simultaneous X-ray and VHE gamma-ray campaign. The X-ray observations allowed us to select black-hole states where non-thermal X-ray emission has been detected. We did not find significant VHE emission in any of the black hole states, but the upper limits derived will prove useful in future modelling of the non-thermal emitter in the source. / Les binàries de raigs gamma són sistemes binaries formats per una estrella jove i massiva i un objecte compacte, que pot ser un púlsar jove o un forat negre, que emeten radiació fins a desenes de TeV i mostren variabilitat orbital en totes les bandes d'emissió, des de radio fins a raigs gamma. En el cas de tres de les quatre binàries de raigs gamma detectades avui dia, se'n desconeix la natura de l'objecte compacte. En aquesta tesi presentem un estudi de les binàries de raigs gamma mitjançant tres treballs complementaris que involucren l'estudi simultani d'aquestes fonts en raigs X i raigs gamma de molt alta energia. En primer lloc presentem el descobriment d'emissió en raigs X i raigs gamma de molt alta energia correlades en el temps al sistema LS I +61 303. Aquesta correlació ens indica que l'emissió en les dues bandes pot provenir d'una única població d'electrons, i ho confirmem mitjançant la realització d'un model teòric de radiació que ens permet restringir significativament les propietats físiques de l'emissor no tèrmic de la font. En cas que la font energètica dels sistemes sigui un púlsar, la interacció entre els vents de l'estrella i el púlsar dona lloc a una regió d'interacció on el vent xocat del púlsar accelera partícules i emet des de radio fins a raigs gamma. A l'espectre de raigs X, però, no es detecta l'emissió tèrmica del vent xocat de l'estrella, que s'escalfa fins a desenes de milers de graus. Això ens ha permès estudiar la forma de la regió d'interacció, determinada principalment per la potència del púlsar, i fer un càlcul teòric de l'emissió en raigs X tèrmics. Hem aplicat aquest model al sistema LS 5039 i hem pogut determinar la potència del púlsar, fet important per a la modelització de l'emissió no tèrmica de la font. Finalment, presentem la cerca d'emissió de raigs gamma provinent de sistemes binaris fins ara no detectats. Una campanya simultània en raigs X i raigs gamma ens va permetre seleccionar les dades de molt alta energia del microquàsar Sco X-1 en funció de l'estat d'acreció sobre l'objecte compacte. Tot i no detectar la font en raigs gamma, els límits superiors obtinguts permeten restringir les propietats físiques de Sco X-1 rellevants per a l'emissió en molt alta energia.