[論文レビュー] Detection techniques for the H.E.S.S. II telescope, data modeling of gravitational lensing and emission of blazars in HE-VHE astronomy

A. Barnacka|arXiv (Cornell University)|Jul 15, 2013

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 91被引用数 3

ひとこと要約

本学位論文は、H.E.S.S. II望遠鏡のレベル2トリガー系の開発と検証を提示しており、バックグラウンドトリガーを抑制することで、モノスコピック運用の効率を高めている。Fermi-LATデータを用いて、PKS 1830-211における27.1 ± 0.6日間の時間遅れを介して、重力レンズ効果の最初の高エネルギー（HE）ガンマ線的証拠を示した。また、10¹⁷–10²⁰ gの質量範囲において、臨界密度の3%以上が存在しないことを95%信頼水準で除外し、原始ブラックホールに関する新たな制約を設定した。

ABSTRACT

This thesis presents the study of four aspects of high energy astronomy. The first part of the thesis is dedicated to an aspect of instrument development for imaging atmospheric Cherenkov telescopes, namely the Level 2 trigger system of the High Energy Stereoscopic System (H.E.S.S.). I am providing the motivation and principle of the operation of the Level 2 trigger, I am describing hardware implementation of the system and then I am evaluating expected performances. The second part of my thesis deals with the data analysis and modeling of broad-band emission of particular blazar PKS 1510-089. I am presenting the analysis of the H.E.S.S. data, together with the FERMI data and a collection of multi-wavelength data obtained with various instruments. I am presenting the model of PKS 1510-089 observations carried out during a flare recorded by H.E.S.S.. The third part of my thesis deals with blazars observed by the FERMI-LAT, but from the point of view of other phenomena: a strong gravitational lensing. This part of my thesis shows the first evidence for gravitational lensing phenomena in high energy gamma-rays. This evidence comes from the observation of a gravitational lens system induced echo in the light curve of the distant blazar PKS 1830-211. The last part concentrates on another lensing phenomena called femtolensing. The search for femtolensing effects has been used to derive limits on the primordial black holes abundance. I have used gamma-ray bursts with known redshifts detected by the FERMI Gamma-ray Burst Monitor (GBM) to search for the femtolensing effects caused by compact objects.

研究の動機と目的

• H.E.S.S. II 28メートル望遠鏡のモノスコピックモードにおける誤トリガーを低減する、堅牢なレベル2トリガー系の開発。
• 理論的期待とは対照的に、Klein-Nishina効果による吸収が強いにもかかわらず、クェーサーPKS 1510-089の多波長データを解析し、そのVHE放射をモデル化すること。
• 角分解能の制限により画像が分離できない高エネルギーガンマ線レンズ効果を示すクェーサーの光曲線における時間遅れを検出・測定すること。
• ガンマ線バーストの光曲線におけるフェムトレンズ効果を探索し、10¹⁷–10²⁰ gの質量範囲における原始ブラックホールの存在割合を制約すること。

提案手法

• アルゴリズムフィルタリングとモンテカルロシミュレーションを用いた、ハードウェアとソフトウェアのハイブリッドなレベル2トリガー系を設計し、ミューオン誘発バックグラウンドイベントを拒否する。
• 赤外線放射を発する-dusty torus-からの光子のコンプトン化を伴う単一ゾーン内部衝撃モデルを適用し、PKS 1510-089のVHE放射を説明した。
• 「二重パワースペクトル法」を開発した。これは、光曲線の二重フーリエ変換を用いるフーリエベースの手法であり、分解能が低いレンズ効果画像の時間遅れを検出するためのものである。
• 定期的かつ低ノイズなサンプリングが可能な300 MeV–30 GeVのFermi-LAT光曲線を用い、画像分離なしに高精度な時間遅れ推定を可能にした。
• 赤方偏移が既知の128個のガンマ線バーストのFERMI GBMデータを解析し、コンパクトな天体によるフェムトレンズ効果に起因する強度の揺らぎを探索した。
• シミュレートされた光曲線を用いて検出感度をキャリブレーションし、統計的有意性検定を適用して原始ブラックホールの存在割合の上限を導出した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 モノスコピックモードにおけるバックグラウンドトリガーを効果的に抑制しつつ、VHEガンマ線信号の効率を維持するためのレベル2トリガー系の設計は、どのように実現可能か？
• RQ2 強い吸収とKlein-Nishina効果が予想されるにもかかわらず、単一ゾーン内部衝撃モデル内でのPKS 1510-089のVHE放射は、一貫してモデル化可能か？
• RQ3 高エネルギーガンマ線源の重力レンズ効果に起因する時間遅れは、機器の分解能が不足しているために画像が分離できない状況でも測定可能か？
• RQ4 ガンマ線バーストの光曲線におけるフェムトレンズ探索を用いて、10¹⁷–10²⁰ gの質量範囲における原始ブラックホールの存在割合にどのような制約を課すことができるか？

主な発見

• レベル2トリガー系は、アルゴリズムフィルタリングによる有効なバックグラウンド抑制を実現し、データ取得システムが処理可能なトリガー率にまで低下させた。
• PKS 1510-089のVHE放射は、単一ゾーン内部衝撃モデルを用いて成功裏にモデル化された。赤外線を発する-dusty torus-からの光子のコンプトン化が、高エネルギー放射を説明し、Klein-Nishina抑制の限界を回避した。
• 二重パワースペクトル法により、PKS 1830-211のFermi-LAT光曲線で27.1 ± 0.6日間の時間遅れを検出。これは、重力レンズ効果の最初の高エネルギーガンマ線的証拠であり、統計的有意性は4.2σであった。
• 時間遅れの測定結果は、以前の電波観測（Lovell et al., 1998）と整合的であり、統計的不確実性が1桁改善された。
• FERMI GBMが観測した128個のガンマ線バーストではフェムトレンズ信号は検出されず、原始ブラックホールの臨界密度に対する95%信頼水準での上限は、10¹⁷–10²⁰ gの質量範囲で3%未満であった。
• これらの結果は、特に従来弱く制限が薄かった低質量領域において、原始ブラックホールがダークマター候補であるというパrameter空間を顕著に制限した。