Observations of a systematically selected sample of high frequency peaked BL Lac objects with the MAGIC telescope [Elektronische Ressource] / vorgelegt von Markus Meyer

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• Astronomie

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• Publié par: julius-maximilians-universitat_wurzburg
• Publié le: 01 janvier 2008
• Nombre de lectures: 14
• Langue: English
• Poids de l'ouvrage: 9 Mo

Extrait

Observations of a systematically selected
sample of high frequency peaked BL Lac
objects with the MAGIC telescope
Dissertation zur Erlangung des
naturwissenschaftlichen Doktorgrades
der Bayerischen Julius-Maximilians-Universit at Wurzbu rg
vorgelegt von
Markus Meyer
aus Dettelbach
Wurzburg 20082
Eingereicht am 28.01.2008
bei der Fakult at fur Physik und Astronomie
1. Gutachter: Prof. Dr. K. Mannheim
2. Gutachter: Prof. Dr. W. Porod
3. Gutachter: Prof. Dr. Dr. W. Rhode
der Dissertation.
1. Prufer: Prof. Dr. K. Mannheim
2. Prufer: Prof. Dr. W. Porod
3. Prufer: Prof. Dr. T. Trefzger
im Promotionskolloquium
Tag des Promotionskolloquiums: 04.06.2008
Doktorurkunde ausgeh andigt am:Contents
Abstract 8
Zusammenfassung 10
Introduction 12
1 High energy astrophysics 15
1.1 Cosmic rays . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
1.1.1 The cosmic ray spectrum . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
1.1.2 Cosmic accelerators - the Hillas plot . . . . . . . . . . 17
1.1.3 Fermi acceleration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
1.2 Gamma-ray astronomy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
1.2.1 High energy: 500 keV - 100 GeV . . . . . . . . . . . . . 21
1.2.2 Very high energy: 100 GeV - 100 TeV . . . . . . . . . . 23
1.3 Mechanisms of gamma-ray production . . . . . . . . . . . . . 28
1.3.1 Bremsstrahlung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
1.3.2 Synchrotron radiation . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
1.3.3 Inverse Compton scattering . . . . . . . . . . . . . . . 30
1.3.4 Pion decay . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
1.4 Absorption of gamma-rays . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
1.5 Astrophysical sources of gamma radiation . . . . . . . . . . . 36
1.5.1 Galactic . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
1.5.2 Active galactic nuclei . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
1.5.3 Unidenti ed sources . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
1.5.4 Gamma-ray bursts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
1.5.5 Dark matter annihilation . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
2 Active galactic nuclei 42
2.1 Empirical classi cation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
2.2 The uni ed model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
2.2.1 The AGN paradigm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
34 CONTENTS
2.2.2 Uni ed scheme for radio-loud AGN . . . . . . . . . . . 47
2.2.3 AGN jets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
2.3 Blazars . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
2.3.1 Relativistic beaming . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
2.3.2 Spectral energy distribution . . . . . . . . . . . . . . . 51
2.3.3 Emission models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
3 The imaging air Cherenkov technique 58
3.1 Air showers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
3.2 Cherenkov e ect . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
3.3 Imaging technique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
3.4 The MAGIC telescope . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
3.4.1 Re ector . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
3.4.2 Telescope structure and drive system . . . . . . . . . . 70
3.4.3 Detector . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
3.4.4 Data acquisition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
3.4.5 Trigger . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
4 The analysis chain 74
4.1 Data preparation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
4.1.1 Calibration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
4.1.2 Pulse extraction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
4.1.3 Detector inhomogeneities . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
4.1.4 Bad pixel treatment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
4.1.5 Software trigger . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
4.1.6 Image cleaning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
4.1.7 parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
4.2 Background determination . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
4.2.1 On-o mode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
4.2.2 Wobble mode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
4.3 Gamma-hadron separation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
4.3.1 Quality cuts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
4.3.2 Dynamical cuts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
4.3.3 Reconstruction of the shower origin . . . . . . . . . . 83
4.4 Spectrum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
4.4.1 Monte Carlo simulations . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
4.4.2 Energy reconstruction . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
4.4.3 E ective collection area . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
4.5 Observations of the Crab Nebula . . . . . . . . . . . . . . . . 87
4.5.1 The Crab Nebula . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
4.5.2 Observations with the MAGIC telescope . . . . . . . . 88CONTENTS 5
4.5.3 Gamma-hadron separation . . . . . . . . . . . . . . . . 88
4.5.4 Monte Carlo comparison . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
4.5.5 Energy spectrum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
4.5.6 Lightcurve . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
4.5.7 Sensitivity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
5 Muons 98
5.1 Muon image in the Cherenkov telescope . . . . . . . . . . . . 98
5.1.1 Dependence on the impact parameter . . . . . . . . . . 98
5.1.2 Width of muon ring images . . . . . . . . . . . . . . . 100
5.2 Analysis of single muon events . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
5.2.1 Image reconstruction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
5.2.2 Monte Carlo simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
5.2.3 Monte Carlo comparison . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
5.3 Calibration and point spread function . . . . . . . . . . . . . . 105
5.3.1 Implementation in the automatic analysis . . . . . . . 106
5.3.2 Monitoring of the point spread function . . . . . . . . . 106
5.3.3 Calibration with muon ring images . . . . . . . . . . . 108
5.4 Muon background . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
5.4.1 Gamma-background separation . . . . . . . . . . . . . 111
5.4.2 Estimated muon rate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
6 Search for gamma-ray emission 116
6.1 Sample selection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
6.2 Observations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
6.3 Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
6.3.1 Method of upper limit calculation . . . . . . . . . . . . 119
6.3.2 Analysis results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
6.3.3 1ES 1426+428 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
6.4 Detections and possible detections . . . . . . . . . . . . . . . . 123
6.4.1 1ES 1011+496 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
6.4.2 1ES 1218+304 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
6.4.3 1ES 2344+514 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130
7 Overall spectral properties 135
7.1 Multiwavelength data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
7.1.1 Upper limits at 200 GeV . . . . . . . . . . . . . . . . . 136
7.1.2 Simultaneous optical observations . . . . . . . . . . . . 136
7.2 Corrections . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137
7.2.1 K-correction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137
7.2.2 Absorption of gamma-rays . . . . . . . . . . . . . . . . 1396 CONTENTS
7.3 Broad-band spectral indices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139
7.3.1 Sample enlargement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140
7.3.2 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140
8 Spectral energy distribution 144
8.1 Single zone SSC model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144
8.2 1ES 2344+514 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148
8.2.1 Gamma-ray data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149
8.2.2 Multiwavelength data - the X-ray properties . . . . . . 151
8.2.3 Model t . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151
8.3 1ES 1218+304 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156
8.3.1 Gamma-ray data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157
8.3.2 Multiwavelength data - the X-ray properties . . . . . . 158
8.3.3 Model t . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159
8.4 Summary and conlusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162
9 Constraints on the luminosity function 165
9.1 Complete BL Lac samples . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165
9.2 Redshift distribution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167
9.3 Number counts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169
9.4 Contribution to the extragalactic background . . . . . . . . . 171
10 Conclusions 173
A Observation log: Crab Nebula 176
A.1 Observations in on-o mode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176
A.2 in wobble mode . . . . . . . . . . . . . . . . . . 180
B Monte Carlo comparison 181
B.1 Gamma initiated air showers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181
B.2 Muons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183
C Observation log: HBL objects 184
C.1 1ES 0120+340 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .