Observations of PG 1553+113 with the MAGIC telescope [Elektronische Ressource] / Daniela Dorner

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• Publié par: julius-maximilians-universitat_wurzburg
• Publié le: 01 janvier 2008
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Extrait

Observations of PG1553+113
with the MAGIC telescope
Dissertation zur Erlangung des
naturwissenschaftlichen Doktorgrades
der Bayerischen Julius-Maximilians-Universit¨at Wu¨rzburg
Daniela Dorner
aus
Amberg
Wu¨rzburg 2008Abstract
Abstract
Blazars are among the most luminous sources in the universe. Their extreme short-time
variability indicates emission processes powered by a supermassive black hole. With the
currentgenerationofImagingAirCherenkov Telescopes, thesesourcesareexploredatvery
high energies. Lowering the threshold below 100GeV and improving the sensitivity of the
telescopes, more and more blazars are discovered in this energy regime. For the MAGIC
telescope, a low energy analysis has been developed allowing to reach energies of 50GeV
for the first time. The method is presented in this thesis at the example of PG1553+113
measuring a spectrum between 50GeV and 900GeV.
In the energy regime observed by MAGIC, strong attenuation of the gamma-rays is
expected from pair production due to interactions of gamma-rays with low-energy photons
from the extragalactic background light. For PG1553+113, this provides the possibility
to constrain the redshift of the source, which is still unknown.
Well studied from radio to x-ray energies, PG1553+113was discovered in 2005 in the very
high energy regime. In total, it was observed with the MAGIC telescope for 80 hours
between April 2005 and April 2007.
From more than three years of data taking, the MAGIC telescope provides huge amounts
of data and a large number of files from various sources. To handle this data volume and
to provide monitoring of the data quality, an automatic procedure is essential. Therefore,
a concept for automatic data processing and management has been developed. Thanks to
its flexibility, the concept is easily applicable to future projects. The implementation of an
automatic analysis is running stable since three years in the data center in Wu¨rzburg and
provides consistent results of all MAGIC data, i.e. equal processing ensures comparability.
In addition, this database controlled system allows for easy tests of new analysis methods
and re-processing of all data with a new software version at the push of a button. At any
stage, not only the availability of the data and its processing status is known, but also a
large set of quality parameters and results can be queried from the database, facilitating
quality checks, data selection and continuous monitoring of the telescope performance.
By using the automatic analysis, the whole data sample can be analyzed in a reasonable
amount of time, and the analyzers can concentrate on interpreting the results instead.
For PG1553+113, the tools and results of the automatic analysis were used. Compared to
the previously published results, the software includes improvements as absolute pointing
correction, absolute light calibration and improved quality and background-suppression
cuts. In addition, newly developed analysis methods taking into account timing informa-
tion were used. Based on the automatically produced results, the presented analysis was
enhanced using a special low energy analysis. Part of the data were affected by absorption
due to the Saharan Air Layer, i.e. sanddust in the atmosphere. Therefore, a new method
has been developed, correcting for the effect of this meteorological phenomenon. Applying
the method, the affected data could be corrected for apparent flux variations and effects of
absorptiononthespectrum, allowingtousetheresultforfurtherstudies. Thisisespecially
interesting, as these data were taken during a multi-wavelength campaign.
3For the whole data sample of 54 hours after quality checks, a signal from the position of
PG1553+113 was found with a significance of 15 standard deviations. Fitting a power
law to the combined spectrum between 75GeV and 900GeV, yields a flux of (1:4 ± 0:1)·
−6 210 =TeV=m =s at 200GeV and a spectral slope of 4:1 ± 0:2. Due to the low energy
analysis, the spectrum could be extended to below 50GeV. Fitting down to 48GeV, the
flux remains the same, but the slope changes to 3:7 ± 0:1.
The determined daily light curve shows that the integral flux above 150GeV is consistent
with a constant flux. Also for the spectral shape no significant variability was found in
three years of observations.
In July 2006, a multi-wavelength campaign was performed. Simultaneous data from the
x-ray satellite Suzaku, the optical telescope KVA and the two Cherenkov experiments
MAGIC and H.E.S.S. are available. Suzaku measured for the first time a spectrum up
to 30keV. The source was found to be at an intermediate flux level compared to previous
x-raymeasurements, andnoshorttimevariabilitywasfoundinthecontinuousdatasample
of 41.1ksec. Also in the gamma regime, no variability was found during the campaign.
Assuming a maximum slope of 1.5 for the intrinsic spectrum, an upper limit of z < 0:74
was determined by deabsorbing the measured spectrum for the attenuation of photons by
the extragalactic background light. For further studies, a redshift of z = 0:3 was assumed.
Collecting various data from radio, infrared, optical, ultraviolet, x-ray and gama-ray ener-
gies, a spectral energy distribution was determined, including the simultaneous data of the
multi-wavelength campaign. Fittingthe simultaneous data with different synchrotron-self-
comptonmodelsshowsthattheobservedspectralshapecanbeexplainedwithsynchrotron-
self-compton processes. The best result was obtained with a model assuming a log-
parabolic electron distribution.
4Zusammenfassung
Zusammenfassung
Blazare geh¨oren zu den leuchtst¨arksten Quellen im Universum. Ihre extreme Kurzzeitvari-
abilit¨at deutet auf Strahlungsprozesse hin, die von einem supermassereichem schwarzen
Loch mit Energie versorgt werden. Mit der aktuellen Generation von abbildenden Luft-
Cherenkov Teleskopen werden diese Quellen bei sehr hohen Energien erforscht. Durch das
Absenken derSchwellenenergie aufunter100GeVundaufgrundverbesserter Sensitivit¨aten
werden immer mehr Blazare in diesem Energiebereich entdeckt. Fu¨rdas MAGIC Teleskop
wurde eine Analysemethode entwickelt, die es erlaubt zum ersten mal zu niedrigen En-
ergien im Bereich von 50GeV vorzudringen. Mit dieser Methode wurde am Beispiel von
PG1553+113 ein Spektrum zwischen 50GeV und 900GeV bestimmt.
Im dem von MAGIC beobachteten Energiebereich wird eine starke Abschw¨achung des
Gammalichts aufgrund von Paarproduktion in Wechselwirkungen mit niederenergetischen
Photonen des extragalaktischen Hintergrundlichts erwartet. Fu¨r PG1553+113 ergibt sich
daraus eine M¨oglichkeit um die noch unbekannte Entfernung der Quelle einzuschr¨anken.
W¨ahrend die Quelle PG1553+113im Radio- bis R¨ontgenbereich gut untersucht ist, wurde
sie im Hochenergiebereich erst 2005 entdeckt. Zwischen April 2005 und April 2007 wurde
sie mit dem MAGIC Teleskop insgesamt 80 Stunden lang beobachtet.
Aus mehr als drei Jahren Datennahme liefert das MAGIC Telekop riesige Mengen an
Daten und eine große Anzahl von Dateien. Um dieses Datenvolumen zu bew¨altigen und
¨fu¨r die Uberwachung der Datenqualit¨at ist eine automatische Verarbeitung unverzicht-
bar. Darum wurde ein Konzept zur automatischen Datenverwaltung und -verarbeitung
entwickelt. Aufgrund seiner Flexibilit¨at kann dieses Konzept auch leicht auf zuku¨nftige
Projekte u¨bertragen werden. Die Umsetzung fu¨r MAGIC l¨auft seit drei Jahren sta-
bil im Datenzentrum in Wu¨rzburg und liefert konsistente Ergebnisse von allen Daten,
d.h. die identische Verarbeitung sorgt fu¨r Vergleichbarkeit. Ausserdem erm¨oglicht das
datenbankbasierte Konzept einfache Tests neuer Analysemethoden und die Neuanalyse
aller Daten mit einer neuen Software auf Knopfdruck. Man kann nicht nur jederzeit die
Verfu¨gbarkeit und den Verarbeitungsstatus aller Daten aus der Datenbank abfragen, son-
dern auch Qualit¨atsparameter und Ergebnisse, was die Qualit¨atskontrolle und Auswahl
¨von Daten sowie die Uberwachung des Teleskopstatus erleichtert. Durch die Verwendung
derautomatischenAnalysekanndieriesigeMengeanDatenineinemvernu¨nftigenZeitrah-
menanalysiertwerdenundmankannsichstattdessen aufdieInterpretationderErgebnisse
konzentrieren.
Fu¨r PG1553+113 wurden die Werkzeuge und Resultate der automatischen Analyse ver-
wendet. Verglichen mit den zuvor ver¨offentlichten Ergebnissen wurde eine Software
Version verwendet, die verschiedene Verbesserungen enth¨alt, wie zum Beispiel eine ab-
solute Pointing-Korrektur, eine absolute Lichtkalibration und verbesserte Schnitte zur
Qualit¨atssicherung und Untergrundunterdru¨ckung. Ausserdem wurde eine neu entwick-
elte Analysemethode, welche die Zeitinformation mit einzbezieht, benutzt. Basierend auf
den Ergebnissen der automatischen Analyse wurde das Ergebnis mit einer speziell fu¨r
niedrige Energien optimierten Analyse verbessert. Ein Teil der Daten wurde beintr¨achtigt
5durch Absorption aufgrund Sandstaub in der Atmosph¨are, der sogenannten Calima. Eine
neue Methode wurde entwickelt, um den Effekt dieses meteorologischen Ph¨anomens zu
korrigieren. Auf diese Weise konnten scheinbare Fluss¨anderungen und Einflu¨sse auf das
Spetrum ausgeglichen werden, wodurch die Daten fu&#