La Tesis contiene ciertos estudios relacionados con la difusión de rayos cósmicos. Está dividida en dos partes, una describe los modelos sobre la fenomenología de difusión de rayos cósmicos, y otra presenta las observaciones realizadas usando el experimento MAGIC y simulaciones del futuro Array de Telescopios Cherenkov (CTA, por sus siglas en inglés). En la primera parte, se introduce la teoría general más aceptada sobre la difusión de rayos cósmicos. Se cree que los remanentes de supernova (SNR) son uno de los escenarios más probables de aceleración de rayos cósmicos, tanto en procesos leptónicos como hadrónicos. El mecanismo de aceleración de partículas en cada SNR se asume que es aceleración por choque difuso (diffusive shock acceleration). Para obtener confirmación observacional de la aceleración de protones y otros núcleos, y distinguirlos de la emisión leptónica, se deben aislar los efectos de los múltiples mensajeros producidos por partículas secundarias. Partiendo de ahí, se desarrolla un modelo sobre los alrededores del SNR IC443 que explica la fenomenología de alta energía: los rayos cósmicos escapan del remanente, los más energéticos alcanzan antes la nube molecular situada delante de la misma y los menos energéticos aún permanecen confinados a los restos del SNR. Los resultados contrastados con las últimas observaciones obtenidas de la fuente explican su aparente desplazamiento cuando se observa a alta y a muy alta energía. También se presenta un modelo multi-frecuencia y multi-mensajero (fotones de todo el espectro electromagnético y neutrinos) de la emisión difusa de la galaxia con un estallido de formación estelar M82. Las predicciones para rayos gamma se comparan con (y explican satisfactoriamente) las posteriores detecciones en el rango energético comprendido entre los giga- y los tera-electronvoltios de las galaxias M82 y NGC 253, realizadas por el satélite Fermi y los experimentos en tierra H.E.S.S. y VERITAS. En la segunda parte de la Tesis, se describe la técnica de detección de rayos gamma desde tierra a través de la radiación Cherenkov. Esta técnica es explotada, entre otros, por el experimento MAGIC. Algunas de las observaciones realizadas por la estudiante con este telescopio se presentan como parte de esta Tesis. En primer lugar, se muestran los límites superiores (upper limits) al flujo de rayos gamma obtenidos con MAGIC-I sobre dos fuentes detectadas por el experimento Milagro y que se corresponden con dos fuentes brillantes del satélite Fermi en la región del SNR G65.1+0.6. Se cree que puedan tratarse de dos púlsares que inyectan energía y partículas en la nebulosa pulsada que las rodea. También se presentan resultados preliminares de observaciones en estéreo (con los dos telescopios MAGIC) del SNR IC443. El número de horas obtenido resulta insuficiente para completar el estudio morfológico dependiente de la energía para el que se enfocaba la obtención de estos datos, pero nuevas observaciones están previstas para el futuro. Finalmente, se introducen por primera vez algunas simulaciones realizadas con el futuro CTA y ciertos estudios espectrales sobre particulares casos científicos. En concreto, dichos estudios se centraron en los objetos ya discutidos en el resto de la Tesis, como el SNR IC443, las galaxias con estallido de formación estelar M82 y NGC 253, y nubes moleculares iluminadas por rayos cósmicos escapados de SNRs cercanos. El observatorio CTA representa el futuro de las observaciones de rayos gamma desde tierra, y prevé que se unan las colaboraciones de todas las instalaciones de telescopios actuales. El rango de energías se verá ampliado, la sensibilidad aumentará un orden de magnitud y la resolución angular se mejorará respecto a los experimentos existentes hoy en día. Esta Tesis representa, pues, sólo el principio de lo que queda por venir. / This Thesis deals with certain aspects on cosmic-ray diffusion. It is divided in two parts, one describes phenomenological models of cosmic-ray diffusion, and the other presents observations taken with the MAGIC experiments and simulations of the future Cherenkov Telescope Array (CTA). In the first part, the generally accepted theory for cosmic-ray diffusion is introduced. Supernova remnants (SNRs) are believed to be the more likely scenarios of cosmic-ray acceleration, considering both hadronic and leptonic processes. The mechanism for particle acceleration in each SNR is assumed to be diffusive shock acceleration (DSA). To obtain the observational confirmation of proton and nuclei acceleration, and distinguish it from leptonic emission, the effects of multiple messengers produced by secondary particles must be isolated. Following this, a model for the neighborhood of the SNR IC443 is developed, explaining the high energy phenomenology: cosmic rays escape from the remnant, the most energetic ones reach first the molecular cloud located in front of it and the least energetic ones still remain confined on the shell of the SNR. The results are confronted with the latest observations that are obtained from this source. The apparent displacement between high and very high energy detected sources is explained thanks to this model. Moreover, a multi-frequency and multi-messenger model (i.e., photons from the whole electromagnetic spectrum and neutrinos) for the diffuse emission coming from the starburst galaxy M82 is presented. The gamma-ray predictions are compared to the posterior detections in the energy range between the giga- and the tera-electronvolts of the starburst galaxies M82 and NGC 253, observed by the satellite Fermi and the ground-based experiments H.E.S.S. and VERITAS. The model explains rather satisfactorily these detections at high and very high energy. In the second part of the Thesis, the technique for the gamma-ray detection at ground level through Cherenkov radiation is described. This Cherenkov technique is used in the MAGIC experiment, among others. Some of the observations taken by the student with this telescope facility are presented as part of this Thesis. First, the upper limits to the gamma-ray flux coming from two sources in the region of the SNR G65.1+0.6 when observed with MAGIC-I are shown. These two sources were previously detected by the Milagro experiment and are associated with two bright sources in the Fermi catalog. One of the possible explanations is that these sources are two pulsars powering the pulsar wind nebula that surrounds them. Furthermore, preliminar results of the stereo observations (using the two MAGIC telescopes) of the SNR IC443 are presented. The goal for these observations is performing an energy-dependent morphological study. So far, the obtained number of hours is not enough, although new observations are planned for the near future. Finally, some simulations for the future CTA are presented for the first time, together with several spectral studies regarding interesting scientific cases. In particular, those studies are focused on objects that have been already mentioned in this Thesis, like the SNR IC443 and the starburst galaxies M82 and NGC 253, and also on molecular clouds that are illuminated by cosmic rays which escaped from nearby SNRs. The CTA observatory represents the future of the ground-based gamma-ray observations, and it is likely to include every collaboration from the existing telescope facilities nowadays. The energy range will be widened, the sensitivity will be one order of magnitude improved and the angular resolution will be enhanced respect to the existing experiments up to now. Thus, the present Thesis is just the tip of the iceberg of what is yet to come.

Vegeu ircresum1de1.pdf

Es el propósito de esta tesis estudiar la posibilidad de que regiones con importante actividad en formación estelar sean fuentes de rayos gamma para los actuales y futuros detectores, ya sean detectores de rayos gamma con base en satélites como telescopios Cherenkov situados en la superficie terrestre.Tras una evaluación fenomenológica positiva de que la emisión de rayos gamma procedente de galaxias con elevada actividad en formación estelar (como las llamadas starburst o las galaxias ultra luminosas en el infrarrojo) esté cerca de la sensibilidad de los actuales detectores de rayos gamma, se han desarrollado y presentado modelos detallados de la emisión difusa multifrecuencia procedente de los dos mejores candidatos, NGC 253 y Arp 220. Se predice que ambas galaxias serán detectables para GLAST, el próximo satélite de rayos gamma con una sensibilidad sin precedentes, y por HESS y MAGIC, los actuales telescopios Cherenkov con mayor sensibilidad, en caso de que éstos dediquen suficiente tiempo de observación a estas galaxias.En la parte teórica de la tesis se describe también un modelo que propone la emisión de importantes flujos de rayos gamma en regiones de formación estelar dentro de nuestra Galaxia, como serían las asociaciones de estrellas jóvenes del tipo OB. El modelo considera la emisión de rayos gamma a energías cercanas a los TeV mediante interacciones hadrónicas en el sí de vientos estelares de algunas de las estrellas de la asociación, prediciendo a la vez que la emisión a bajas energías está sustancialmente suprimida debido al efecto de modulación que la población de rayos cósmicos primarios sufre al penetrar en el viento estelar. Se discuten brevemente los mejores candidatos entre las asociaciones OB galácticas conocidas.Finalmente, la tesis recoge un primer análisis de los datos tomados por el Telescopio MAGIC durante la observación de dos regiones de formación estelar. Por una parte, la galaxia ultra luminosa en el infrarrojo más cercana, Arp 220. Por otra parte, TeV J2032+4130, que aún hoy en día sigue siendo una fuente no identificada, y cuyo origen se ha relacionado con la poderosa asociación estelar Cygnus OB2 en repetidas ocasiones. Ninguna de las observaciones ha implicado detección, en consecuencia, se han impuesto límites superiores al flujo de rayos gamma procedente de las fuentes observadas. Sin embargo, a pesar de las pocas horas de observación incluidas en el presente análisis, los límites superiores impuestos por el Telescopio MAGIC para la fuente TeV J2032+4130 están prácticamente al nivel del flujo que el experimento HEGRA detectó para dicha fuente, de manera que un análisis extendido al conjunto completo de datos disponibles, así como futuras observaciones de más larga exposición con el Telescopio MAGIC, podrían proveer resultados interesantes. / Was the aim of this thesis to study the possibility that regions with important activity in star formation may appear as sources of gamma-rays for the current and near future gamma-ray detectors, both ground and space-satellite based. After a phenomenological positive evaluation of the fact that the gamma-ray emission from galaxies prone of star formation processes (as starburst or ultra luminous infrared galaxies) may be close to the flux sensitivities of the current gamma-ray telescopes, detailed models of the multiwavelength diffuse emission from the two best candidates, NGC 253 and Arp 220, have been presented. It is predicted that they will be detectable by GLAST, the next largest gamma-ray satellite, and by HESS and MAGIC, the current more sensitive Cherenkov Telescopes, in case enough observation time is devoted. On the other hand, within this thesis it is described a model which proposes the emission of important fluxes of gamma-rays from regions of star formation within our Galaxy, as the stellar association of young OB stars. The model considers the emission of gamma-rays close to TeV energies by hadronic interactions within the stellar winds of some of the stars of the association, predicting at the same time that the emission at lower energies is substantially suppressed due to the modulation effects that the incoming population of primary cosmic rays suffers when penetrating the winds. The best candidates among the galactic OB associations are briefly discussed.Finally, a first analysis of the data taken by the MAGIC Telescope when observing two of these regions of star formation is described. On one hand, the closest ultra luminous infrared galaxy, Arp 220. On the other, TeV J2032+4130, which is still an unidentified source whose origin has been several times related to the powerful stellar OB association Cygnus OB2. Any of both observations has implied detection, and upper limits to the gamma-ray flux have been imposed. However, although the few hours of observation included in the present analysis, the MAGIC upper limits for TeV J2032+4130 are nearly at the level of the flux detected by the HEGRA experiment, so an analysis extended to the complete set of data available as well as deeper observations of this source with the MAGIC Telescope can provide promising results.

The understanding of the origin and evolution of the Milky Way is one of the primary goals of the Gaia mission (ESA, launch autumn 2013). In order to study and analyse fully the Gaia data it will be useful to have a Galaxy model able to test various hypothesis and scenarios of galaxy formation and evolution. Kinematic and star count data, together with the physical parameters of the stars - ages and metallicities-, will allow to characterize our galaxy's populations and, from that, the overall Galactic gravitational potential. One of the promising procedures to reach such goal is to optimize the present Population Synthesis models (Robin et al. (2003)) by fitting, through robust statistical techniques, the large and small scale structure and kinematics parameters that best will reproduce Gaia data. This PhD thesis was focused on the optimization of the structure parameters of the Milky Way Galactic disc. We improved the Besançon Galaxy Model and then by comparing the simulations to real data studied the process of Galaxy evolution. The Besançon Galaxy Model is a stellar population synthesis model, built over the last two decades in Besançon (Robin and Crézé(1986); Robin et al. (2003)). Until now the star production process in that model was based on the drawing from the so called Hess diagrams. Each Galaxy population had one such a diagram, which was calculated once given a particular Initial Mass Function (IMF), Star Formation Rate (SFR), evolutionary tracks and age-metallicity relation and since then remained fixed in the model. As that feature was not enabling to test any other scenario of Galaxy evolution, because none of the evolutionary parameters could be modified, it was one of the biggest weaknesses of the model. It has served us as a motivation to dedicate this PhD project to the construction of a new version of the model, which would be able to handle variations of the SFR, IMF, evolutionary tracks, atmosphere models among others. When the evolutionary parameters are changed one must repeat the process of accomplishing the dynamical self-consistency of the model as described in Bienayme et al. (1987). For that we have recalculated the Galactic gravitational potential for all new evolutionary scenarios, which have been tested. The second very important improvement of the model, which is delivered in this thesis, is the implementation of the stellar binarity. That is, the new version of Besançon Galaxy Model presented here is not any more a single star generator, but it considers binary systems maintaining constraints on the local mass density. This is an important change since binaries can account for about 50 % of the total stellar content of the Milky Way. Once the tool was developed we tested several possible combinations of IMF and SFR in the Solar Neighborhood and identified those which best reproduce the Local Luminosity Function and Tycho-2 data. We have accomplished an unprecedented task using the new version of the model, namely we have performed the whole sky comparisons for a magnitude limited sample in order to study the bright stars. The Tycho-2 catalogue turned out to be an ideal sample for that task due to its two important advantages, the homogeneity and completeness until VT ~ 11 mag. Different techniques and strategies were designed and applied when comparing the simulated and the real data. We have looked at small and specific Galactic directions and also performed general comparisons with a global sky coverage. In order to increase the efficiency of numerous simulations and comparisons, a processing pipeline based on C, Java and scripting programming languages has been developed and applied. It is a fully automated, portable and robust tool, allowing to split the work across several computational units. / La misión Gaia (ESA, 2013) revolucionará el conocimiento sobre el origen y la evolución de nuestra Galaxia. Una óptima explotación científica de sus datos requiere disponer de modelos que permitan contrastar hipótesis y escenarios sobre estos procesos de formación. En esta tesis hemos optimizado el modelo de síntesis de poblaciones estelares de Besançon, ampliamente utilizado por la comunidad internacional, centrándonos en la componente del disco delgado. Hemos diseñado, desarrollado, implementado y testeado una nueva estructura de generación de las estrellas que permite encontrar la mejor combinación de función inicial de masa (IMF) y ritmo de formación estelar (SFR) que ajusta a las observaciones. El código permite imponer la autoconsistencia dinámica, recalculando el potencial galáctico para cada nuevo escenario de evolución. También, por primera vez, se generan sistemas binarios bajo esta consistencia dinámica, marcada por la función de luminosidad observada en el entorno solar. Esta, junto con el catálogo Tycho, han sido los dos ingredientes observacionales clave para el ajuste entre modelo y observación. También, por primera vez, hemos conseguido un ajuste aceptable a los recuentos estelares de todo el cielo hasta V=11. Se han evaluado con rigor los efectos en los recuentos estelares derivados del uso de los modelos de atmosfera, de evolución estelar y de extinción interestelar así como de parámetros tan críticos como la masa dinámica del sistema galáctico. El ajuste de estos ingredientes usando el catálogo Tycho nos ha permitido confirmar, de una vez por todas, que la SFR en el disco galáctico no ha sido constante sino decreciente desde los inicios de la formación de esta estructura. En conclusión, esta tesis proporciona un nuevo código, optimizado y flexible en el uso de los ingredientes básicos, en el que se ha realizado una rigurosa evaluación y actualización de los ingredientes que lo componen.

El propósito de la tesis es presentar un método con el que construir catálogos de galaxias virtuales poblando simulaciones de N-cuerpos usando recetas basadas en el modelo ``Halo Occupation Distribution (HOD)''. Los catálogos generados cumplen una serie de propiedades observadas de las galaxias, tales como la función de luminosidad, el diagrama color-magnitud y la distribución espacial en función de la luminosidad y del color. Los datos observados provienen del ``Sloan Digital Sky Survey (SDSS)''. Se describe el marco teórico en el que se basa la producción de los catálogos, tanto el ``Halo model'' como el modelo HOD. Nuestros catálogos se construyen poblando con galaxias los catálogos de halos generados a partir de las simulaciones de N-cuerpos de materia oscura ``Marenostrum Institut de Ciències de l'Espai (MICE)''. Caracterizamos el catálogo de halos usado como input calculando la función de masa, la función de correlación a dos puntos y el bias lineal a gran escala de los halos. El modelo HOD proporciona recetas para poblar los halos con galaxias. Este modelo puede ser parametrizado de diversas maneras. En nuestro caso comenzamos generando catálogos de galaxias usando las recetas del modelo HOD propuestas por Skibba & Sheth en 2009. Debido a que el catálogo generado no se ajusta correctamente a las observaciones, investigamos de manera analítica el cálculo de dos parámetros del modelo HOD, Mmin y M1 (asumimos α=1), usando únicamente dos condiciones: la densidad media en número de galaxias y su bias. Luego calculamos los parámetros del modelo HOD que mejor ajustan la distribución espacial de las galaxias en función de la luminosidad mediante la construcción de un grid de catálogos que comprenden un amplio rango de tres parámetros del modelo HOD, Mmin, M1 y α. Para poder ajustar las observaciones es necesaria la introducción de nuevos ingredientes al modelo: la técnica ``SubHalo Abundance Matching (SHAM)'' y un perfil NFW modificado. Se crea un único catálogo que cumple al mismo tiempo la distribución espacial de galaxias para todas las luminosidades y todos los colores usando como input el catálogo de halos calculado del ``snapshot'' a redshift z=0 de la simulación ``MICE Grand Challenge''. El catálogo se construye siguiendo un nuevo algoritmo en el que se introducen algunas modificaciones: ``scatter'' en la relación entre la luminosidad de la galaxia central y la masa del halo, Mh, el parámetro M1 del modelo HOD se modela en función de Mh, y se incluye una tercera componente Gaussiana (en lugar de dos), para describir el diagrama color-magnitud. Se calcula la función de luminosidad y el bias de las galaxias lineal del catálogo generado. También se muestra el efecto que producen las velocidades peculiares de las galaxias en la distribución espacial de las galaxias, y la función de correlación angular en la escala de las oscilaciones acústicas de los bariones. Finalmente y brevemente se describen algunas de las actuales aplicaciones de los catálogos usados en los proyectos PAU y DES, en los que se incluyen características específicas para cada una de las galaxias como son las propiedades morfológicas, la magnitud en 42 filtros estrechos y la deformación provocada por el ``shear'' gravitacional. / This thesis presents a method to build mock galaxy catalogues by populating N-body simulations using prescriptions based upon the halo occupation distribution model (HOD). The catalogues are constructed to follow some global local properties of the galaxy population already observed, such as the luminosity function, the colourmagnitude diagram and the clustering as a function of luminosity and colour. The observed data constraints come from the Sloan Digital Sky Survey (SDSS). The theoretical framework in which the production of the catalogues is based on, the halo model and the HOD, are described. Our mock catalogues are built from halo catalogues extracted from the Marenostrum Institut de Ci`encies de l’Espai Nbody dark matter simulations (MICE). We characterize our input halo catalogues by computing their halo mass function, two-point correlation function and linear large scale halo bias. The HOD provides prescriptions of how galaxies populate haloes. The HOD can be parameterized in several ways. We start by following the HOD recipes given by Skibba & Sheth 2009 to generate galaxy catalogues. Since the luminosity function of the catalogue does not fit observations, we investigate an analytical derivation of two HOD parameters, Mmin and M1 (α is assumed to be 1), by only using two observed constraints: the galaxy number density and bias. Then, a grid of 600 mock galaxy catalogues that covers a wide range of values of the three HOD parameters, Mmin, M1 and α, is generated to obtain the best-fit HOD parameters that match the observed clustering of galaxy luminosity threshold samples. As we cannot match observations we introduce additional ingredients: the SubHalo Abundance Matching (SHAM) and a modified NFW density profile. A unique mock galaxy catalogue that follows at the same time the clustering at all luminosities and colours is produced using the halo catalogue extracted from the snapshot at z=0 of the MICE Grand Challenge run. The catalogue is built by following a new algorithm in which several modifications are introduced: scatter in the halo mass - central luminosity relation, the HOD parameter M1 is set as a function of Mh, and three Gaussian components (instead of only two) are included to describe the colour-magnitude distribution. A derivation of the luminosity function and the linear galaxy bias of the mock catalogue is shown. How galaxy velocity affects the galaxy clustering and an estimation of the angular correlation function at the BAO scale are presented too. Finally, different versions of the catalogue currently used in PAU and DES projects, which include specific characteristics such as shear information or 42 different magnitudes in narrow band filters and also morphological properties for each galaxy, are briefly described.

Adaptive optics (AO) systems are used to increase the spatial resolution achieved by ground-based telescopes, which are limited by the atmospheric motion of air layers above them. Therefore, the real cut-off frequency is extended closer to the theoretical diffraction limit of the telescope thus allowing more high-frequency information from the object to be present in the image. Nevertheless, although the goal of image reconstruction and deconvolution algorithms is basically the same (i.e., to recover a “real” diffracted limit image, free of noise, from the object), and since the correction of AO is not complete (i.e., the effective cut-off frequency achieved by AO is still below the theoretical diffraction limit), the simultaneous use of such deconvolution algorithms over dataset acquired with AO is possible and desirable to further enhance their contrast. On the other hand, multiresolution tools like the wavelet transform (WT) have been historically introduced into multiple deconvolution schemes improving their performance with respect to their non-wavelet counterparts. The ability of such transforms to separate image components depending on their frequency content results in solutions that are generally closer to the real object. On the other hand, AO community generally states that, due to the high variability of AO PSFs is necessary to update the PSF estimate during the reconstruction process. Hence, the use of blind and myopic deconvolution algorithms should be unavoidable and yields to better results than those obtained by the static-PSFs codes. Therefore, being the aforementioned paragraphs the current state-of-art of AO imaging, this thesis yields the following topics/goals: 1. The static-PSF algorithm AMWLE has been applied over binary systems simulated for the 3-m Shane telescope to evaluate the photometric accuracy of the reconstruction. Its performance is compared with the PSF-fitting algorithm StarFinder, commonly used by the AO community, as well as other algorithms like FITSTAR, PDF deconvolution and IDAC. Results shown that AWMLE is able to produce better results than StarFinder and FITSTAR, and very similar results with respect to the rest of codes, especially for high Strehl ratios (SR) and matched PSFs. 2. A new deconvolution algorithm called ACMLE, based on the curvelet transform (CT) and a maximum likelihood estimator (MLE), has been designed for the reconstruction of extended and/or elongated objects. ACMLE has been tested together with AMWLE and blind/myopic codes such as MISTRAL and IDAC over Saturn and galaxy simulated images for the 5-m. Hale telescope. It is shown that the performance in the presence of noise of the multiresolution static-PSF algorithms is better than myopic and blind algorithms, thus showing that the control of noise is as important as the update of the PSF estimate during the reconstruction process. 3. A unidimensional WT has been applied in the spectral deconvolution of integral field spectroscopy (IFS) datacubes for direct imaging of exoplanets with EPICS instrument, which will be installed at the forthcoming 39-m E-ELT telescope. When this approach is compared with the classical non-wavelet one, an improvement of 1 mag from angle separations equal to 73 mas is devised. Furthermore, detection of close-in planets, between 43 and 58 mas also benefit of the application of wavelets. The use of WT allows the APLC chronograph to obtain similar results with respect to the apodizer-only solution, especially with increasing Talbot length, thus showing that WT classify planet frequency components and chromatic aberrations in different scales. Preliminary results for HARMONI spectrograph are also shown. This thesis opens several lines of research that will be addressed in future: - The world of multiresolution transforms is extremely huge and has produced dozens of new mathematical tools. Among many other, it is worthwhile to mention the shearlet transform, which is an extension/improvement of CT, and the waveatom tool, which is intended to classify textures in the image. They should be studied and compared to establish their best performance and their best field of application over AO images. - Blind and myopic algorithms have proved their ability for large mismatches between the “real” PSF that has created the image and the PSF that is used as a first estimate in the reconstruction process. However, their performance in the presence of noise is highly affected. Hence, it is convenient to investigate if it is possible to introduce (and how to do it) multiresolution transforms into these algorithms to improve their behavior. - For the study of IFS datacubes, other father scaling functions with different shapes could be proposed, in particular, it can be considered a “dynamic” scaling function with the ability to modulate its shape according to the low frequency signal to be removed from the spaxel. This could potentially improved the final photometry of the detected faint source. Besides, the design of a dictionary of wavelets, which increase the decomposing resolution across the spaxel, instead of a single dyadic decomposition, can improve the photometric accuracy of detected planets as well as their spectral characterizations, taking full advantage of the information contained in the IFS datacubes.

En la tesis, proponemos usar el estudio de la agrupación de las galaxias, en particular usando correlaciones cruzadas angulares, para entender la etapa tardía de expansión del Universo y el crecimiento de estructura a gran escala. Los cartografiados extragalácticos miden la posición de las galaxias (que son trazadores del campo de materia oscura) en coordenadas esféricas (z,θ,φ). Muchos análisis de la distribución de galaxias convierten estas coordenadas en distancias, asumiendo una cosmología. Este tipo de análisis requiere rehacer todo el análisis de las medidas para cada modelo cosmológico con el que se quiera comparar. Como alternativa, proponemos seleccionar las galaxias en intervalos radiales, de acuerdo a la medida de sus desplazamientos de longitud de onda al rojo, z, para posteriormente analizar las correlaciones angulares (2D) en cada intervalo. Mediante esta manera de abordar el análisis se pierde información 3D a lo largo de la línea de visión, para escalas menores que la anchura de cada intervalo. Pero evitamos tener que asumir un modelo cosmológico de partida. Hemos visto que un análisis basado en funciones angulares de correlación cruzadas entre diferentes intervalos puede recuperar los modos radiales correspondientes a separaciones dadas por la distancia entre bines. La división en intervalos óptima para recuperar la información 3D viene dada por la escala mínima considerada en el análisis espacial, 2π/kmax, y por la escala dada por el error en el z fotométrico. Los cartografiados extragalácticos fotométricos, como Physics of the Accelerating Universe (PAU) y el Dark Energy Survey (DES), nos permiten acceder a mayores densidades de galaxias y a zonas más profundas del Universo que las alcanzadas en los cartografiados espectroscópicos actuales., pero perdiendo resolución radial. El análisis angular en distintos intervalos es la manera natural de analizar este tipo de cartografiados. Hemos visto que, para este tipo de cartografiados, la determinación del índice de crecimiento de estructura mejora un factor dos si incluimos las correlaciones cruzadas. Además, mostramos que si usamos dos poblaciones de galaxias como trazadores de materia oscura reducimos la varianza cósmica. Usando las correlaciones entre ambas poblaciones en el mismo área, los resultados mejoran un factor cinco. Esto nos permite determinar a un 10% el crecimiento de estructuras para z>1, lo que nos permite complementar los resultados a bajo z obtenidos mediante espectroscopía. La ganancia se magnifica para trazadores que se agrupen de manera muy diferente y con alta densidad. Hemos usado simulaciones de N-cuerpos para incluir efectos no lineales, de manera que podemos activarlos o desactivarlos (como las distorsiones en el espacio de z o las debidas a z fotométricos). Se han construido catálogos a partir de las simulaciones MICE para medir el agrupamiento en la distribución de galaxias, comparándolo con los modelos teóricos de las correlaciones angulares. Hemos hallado una buena correspondencia entre ambos. Los planes futuros pasan por utilizar esta metodología para la estimación de parámetros cosmológicos, particularmente para DES y PAU. / In this thesis we propose to use galaxy clustering, more concretely angular cross-correlations, as a tool to understand the late-time expansion of the Universe and the growth of large-scale structure. Galaxy surveys measure the position of galaxies (what traces the dark-matter field) in spherical coordinates (z,θ,φ). Most galaxy clustering analyses convert these positions to distances assuming a background cosmology. This approach thus requires doing the full data analysis for each background cosmological model one wants to| test. Instead we propose to select galaxies in radial shells, according to their redshifts, and then measure and analyze the angular (2D) correlations in each bin circumventing the model assumption. On the one hand our approach projects and looses 3D information along the line-of-sight for distances smaller than the shell width. On the other hand, it allows a single analysis, as no cosmological model needs to be assumed. Remarkably we find that if we include in the analysis also the angular cross-correlations between different shells, we can recover the radial modes corresponding to the separations between radial bins. We found that the optimal binning to recover 3D information is given by the largest between the minimum scale considered for spatial clustering, 2π/kmax, and the photometric redshift error. Photometric galaxy surveys, such as Physics of the Accelerating Universe (PAU) and Dark Energy Survey (DES), access higher number densities and higher redshifts than current spectroscopic surveys, at the price of loosing radial accuracy. Angular analysis in redshift bins is then the natural framework for such surveys. We found that, for such photometric surveys, the constraints on the growth index of structure improve by a factor two when we include the cross-correlations. In addition, we show that one can use two different galaxy populations to trace dark matter and hence reduce sample variance errors. The cross-correlations of both populations in the same field leads to an overall gain of a factor five. This allows measurements of the growth rate of structure to a 10% error at high redshifts, z > 1, complementing low-z results from spectroscopic surveys. This gain is maximized for high bias difference and high densities. We also worked with N-body simulations to include non-linear gravitational effects and turn them on and off (e.g redshift space distortions or the radial distortions produced by photometric redshifts). We built galaxy survey mocks from the MICE simulations and measure galaxy clustering to compare with our previously mentioned models of angular correlations. We found a good agreement between theory and simulation measurements. In the future, we expect to apply this framework for cosmological parameter estimation, especially focusing on DES and PAU surveys.

La luz de fondo extragalactica (LFE) es la acumulación de toda la luz producida en la historia del Universo. Las longitudes de onda de esta luz de fondo van desde la banda UV hasta el cercano y lejano infrarrojo. La LFE interactúa con los rayos gamma provenientes de núcleos de galaxias activos (NGA) produciendo pares electrón-positrón. Esto causa que los espectros de energía diferencial de los NGAs observados en la Tierra, en el rango de energía de los rayos gamma, estén modificados por la interacción con la LFE. Este trabajo esta enfocado a las observaciones y el análisis de datos de dos NGAs: Markarian 421 y 1ES 1011+496. Estas dos fuentes fueron observadas en estados de llamaradas extraordinarias por los telescopios MAGIC, proveyendo espectros de buena calidad a muy altas energías. De estas observaciones, el efecto de la LFE en los espectros observados pudo ser medido. Las mediciones fueron realizadas un método de maximización de probabilidad, donde el espectro intrínseco de la fuente es modelado usando una función convexa y suave, modificada por el efecto de la LFE (usando un modelo como plantilla) cuya intensidad es regulada usando un factor de normalización de opacidad. Entonces una exploración es realizada sobre los factores de normalización para encontrar la combinación de parámetros del modelo del espectro intrínseco y el LFE que den la máxima probabilidad de reproducir el espectro observado. Al final, la máxima probabilidad es comparada con la probabilidad de la hipótesis de LFE nula por medio de una prueba de razón de probabilidades. Con este método fue encontrado que con los datos de 1ES 1011+496, el modelo de LFE usado en este trabajo (de Domínguez et al., 2011) escalado por el factor de normalización de opacidad 1.07 (-0.13+0.09)stat (-0.10.+0.7)syst fue preferido sobre la hipótesis de LFE nula con una significancia de 4.6 desviaciones estandar. En el caso de Markarian 421, se encontró que la plantilla de LFE escalada por un factor de normalización de opacidad 0.90 (-0.17+0.11)stat (-0.00+0.29)syst fue preferido sobre la hipótesis de LFE nula con una significancia de 5.8 desviaciones estándar. Análisis adicionales fueron realizados de datos de 1ES 0229+200 y 1ES 0647+250. No se pudieron extraer mediciones del LFE de las observaciones de estas dos fuentes. También en este trabajo se presenta un breve estudio de posibles anomalías en la propagación de los rayos gamma en el medio intergaláctico, causado por la teorética partícula parecida al axion. / The extragalactic background light (EBL) is the collection of all the light produced in the history of the Universe. The wavelength of this background light goes from the UV-optical band to the near- and far-infrared. The EBL interacts with the gamma rays coming from active galactic nuclei (AGN) producing electron-positron pairs. This causes that the differential energy spectra observed at Earth from the AGNs, in the energy range of gamma rays, are modified by the interaction with the EBL. This works is focused in the observations and the data analysis from two AGNs: Markarian 421 and 1ES 1011+496. These two sources were observed in extraordinary flaring states by the MAGIC telescopes, providing good quality expectra at very high energies. From these observations, the effect of the EBL on the observed spectra could be measured. The measurements were performed using a likelihood maximization method, where the intrinsic spectrum of the source is modeled using a smooth convex function, modified by the effect of the EBL (from a model template) whose intensity is regulated using an opacity normalization factor. Then a scan is performed over the normalization factor to find the combination of parameters from the model for the intrinsic spectrum and the EBL that give the maximum likelihood to the observed spectrum. At the end, the maximum likelihood is compared with the likelihood of the null-EBL hypothesis with a likelihood ratio test. With this method it was found that with the data from 1ES 1011+496, the EBL model used in this work (by Dominguez et al. 2011) escaled by an opacity normalization factor of 1.07 (-0.13+0.09)stat (-0.10.+0.7)syst was prefered over the null-EBL hypothesis with a significance of 4.6 standard deviations. In the case of the data from Markarian 421, it was found that the EBL template scaled by the opacity normalization factor of 0.90 (-0.17+0.11)stat (-0.00+0.29)syst was prefered over the null-EBL hypothesis with a significance of 5.8 standard deviations. Additional analyses were performed of data from 1ES 0229+200 and 1ES 0647+250. No EBL measurements could be extracted from the observations of these two sources. Also in this work is presented a brief study of possible anomalies in the propagation of the gamma rays in the intergalactic medium caused by the theoretical axion-like particle.

We explore the possibility of detecting and characterising the warp of the stellar disc of our Galaxy using synthetic Gaia data and two available proper motion catalogues namely UCAC4 and PPMXL. We develop a new kinematic model for the galactic warp. With Gaia, the availability of proper motions and, for the brightest stars radial velocities, adds a new dimension to this study. A family of Great Circle Cell Counts (GC3) methods is used. They are ideally suited to find the tilt and twist of a collection of rings, which allow us to detect and measure the warp parameters. To test them, we use random realisations of test particles which evolve in a realistic Galactic potential warped adiabatically to various final configurations. In some cases a twist is introduced additionally. The Gaia selection function, its errors model and a realistic 3D extinction map are applied to mimic three tracer populations: OB, A and Red Clump stars. We show how the use of kinematics improves the accuracy in the recovery of the warp parameters. The OB stars are demonstrated to be the best tracers determining the tilt angle with accuracy better than ∼ 0.5 up to galactocentric distance of ∼ 16 kpc. Using data with good astrometric quality, the same accuracy is obtained for A type stars up to ∼ 13 kpc and for Red Clump up to the expected stellar cut-off. Using OB stars the twist angle is recovered to within < 3◦ for all distances. In this work we have developed a first and simplified kinematic model for our Galactic warp. The simplicity of the model has allowed us to evaluate the efficacy and limitations of the use of Gaia data to characterise the warp. These limitations have been fully explored and quantified. From the work done so far, we expect that the Gaia database, together with the methods presented here, will be a very powerful combination to characterise the warp of the stellar disc of our Galaxy. Moreover, We introduce LonKin methods that help us detect the kinematic signature of the warp in the vertical motions of stars as a function of galactic longitude. Applying this method to the UCAC4 proper motions, we do not obtain a similar trend as the one we expect from our warp model. We explore a possible source of this discrepancy in terms of systematics caused by a residual spin of the reference frame with respect to the extra- galactic inertial one. We also look into a deeper proper motion survey namely the PPMXL. The effect of systematics in this catalogue was reduced using hundreds of thousand quasars present in this survey. An analytical fit to the vertical velocity trend of red clump stars suggests a vertical oscillation in the southern warp with a rather high frequency that tends to decrease the amplitude of the warp. We analysed this trend in the context of our warp model and an abrupt decrease of the warp’s amplitude in a very short time of about one hundred Myr could explain this trend. / En aquesta tesi volem avaluar la capacitat de diversos mètodes estadístics de identificar i caracteritzar la curvatura del disc estel·lar de la Galàxia en la era de Gaia. Per a portar a terme aquests objectius hem desenvolupat expressions analítiques pel camp de forces d’un potencial tipus Miyamoto-Nagai de disc corbat. Partint del potencial galàctic axisimètric de Allen i Santillan (1991) procedim a distorsionar el potencial d’acord amb dos models diferents de curvatura: 1) un model amb la línia de nodes recta i 2) un model amb que presenta una torsió a mesura que augmenta el radi galactocèntric. Hem generat diversos catàlegs simulats de partícules test on hem anat corbant el potencial del disc bé adiabàticament o impulsiva i als que hem aplicat les limitacions observacionals de Gaia i els models d'error astromètrics esperats. A continuació hem utilitzat mètodes estadístics anomenats Great Circle Cell Counts (GC3) i els hem aplicat a mostres d’estrelles per les quals disposem de la informació en l’espai sis dimensional de posicions i velocitats o només informació en posició. A més, hem introduït d'altres mètodes que analitzen directament la tendència del moviment vertical mig de les estrelles en funció de la longitud galàctica. Demostrem que podem recuperar bé els paràmetres de la mostra d’estrelles OB amb bons paràmetres astromètrics a la que hem imposat una inclinació i una torsió al potencial donada. Els valors es recuperen amb un error inferior 3 graus per a totes les distàncies. És important esmentar que en tots els treballs amb els mètodes GC3 sempre hem utilitzat les paral·laxis trigonomètriques (mai les distàncies). També hem buscat la traça cinemàtica de la curvatura del disc en els catàlegs de moviments propis actualment disponibles, UCAC4 i PPMXL. Constatem la necessitat de conèixer amb bona precisió la rotació residual del sistema de referència respecte al sistema inercial, així com qualsevol altre efecte sistemàtic en els moviments propis. Els nostres resultats amb el catàleg PPMXL mostren que un decreixement impulsiu de l'amplitud de la curvatura reprodueix qualitativament la traça en la velocitat vertical que mostren les dades. En conclusió, aquest treball ens ha permès quantificar les capacitats de Gaia per a caracteritzar la geometria i la dinàmica de la curvatura del disc galàctic.

No description available.