[논문 리뷰] 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)|2013. 07. 15.

Astrophysics and Cosmic Phenomena참고 문헌 91인용 수 3

한 줄 요약

이 학위논문은 H.E.S.S. II 28미터 망원경의 단안식 운영을 효율적으로 가능하게 하기 위해 배경 트리거를 억제하는 레벨 2 트리거 시스템의 개발 및 검증을 제시한다. Fermi-LAT 자료를 사용하여 PKS 1830-211에서 27.1 ± 0.6일의 시간 지연을 통해 중력 렌즈 효과에 대한 첫 번째 고에너지 감마선 증거를 확보하였으며, 95% 신뢰수준에서 10¹⁷–10²⁰ g 질량 범위 내에서 임계 밀도의 3% 이상을 차지할 수 없음을 규명하여 초기 black hole에 대한 새로운 제약 조건을 설정하였다.

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.

연구 동기 및 목표

• H.E.S.S. II 28미터 망원경의 단안식 모드에서 거짓 트리거를 줄이기 위해 신뢰성 있는 레벨 2 트리거 시스템을 개발한다.
• Klein-Nishina 억제로 인해 감지 가능한 방출이 없을 것으로 예상되는 이론적 기대에 비해, 블라자르 PKS 1510-089의 다파장 데이터를 분석하여 VHE 방출을 모델링한다.
• 각도 해상도가 낮은 고에너지 기구에서 이미지가 분리되지 않은 경우에도 중력 렌즈 효과를 겪는 쿼asar의 고에너지 감마선 광선 곡선에서 시간 지연을 검출하고 측정한다.
• 감마선 폭발 광선 곡선에서 프라임리티브 블랙홀에 의한 펌톨렌즈 효과를 탐색하여 10¹⁷–10²⁰ g 질량 범위 내에서의 프라임리티브 블랙홀의 비율을 제약 조건화한다.

제안 방법

• 알고리즘 필터링과 몬테카를로 시뮬레이션을 활용하여, 백색입자 유도 배경 이벤트를 거부하는 하이브리드 하드웨어/소프트웨어 레벨 2 트리거 시스템을 설계하였다.
• 먼지 터스에서 방출되는 적외선 광자를 콤프턴화시키는 단일 영역 내부 충격 모델을 적용하여, PKS 1510-089의 VHE 방출을 설명하였다.
• 이중 파wer 스펙트럼 방법을 개발하였으며, 이는 광선 곡선의 이중 푸리에 변환을 사용하는 푸리에 기반 기법으로, 분리되지 않은 렌즈 이미지에서 시간 지연을 탐지하는 데 사용되었다.
• 정규적이고 낮은 노이즈 수준의 300 MeV–30 GeV Fermi-LAT 광선 곡선을 활용하여, 이미지 분리 없이도 고정밀도 시간 지연 추정이 가능하도록 하였다.
• 지정된 적색편이가 있는 128개의 감마선 폭발에 대해 FERMI GBM 자료를 분석하여, 밀도가 높은 천체에 의한 펌톨렌즈 효과에 따른 강도 변동을 탐색하였다.
• 모의 광선 곡선을 사용하여 감지 민감도를 校정하고, 통계적 유의성 검정을 적용하여 PBH 비율에 대한 상한선을 유도하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 레벨 2 트리거 시스템은 단안식 모드에서 배경 트리거를 효과적으로 억제하면서도 VHE 감마선 신호 효율을 유지할 수 있는가?
• RQ2 강한 흡수와 Klein-Nishina 억제가 존재하는 상황에서도, 단일 영역 내부 충격 시나리오 내에서 평탄한 스펙트럼의 전파 퀘이사 PKS 1510-089의 VHE 방출을 일관적으로 모델링할 수 있는가?
• RQ3 장비가 개별 이미지를 분리하지 못하는 경우, 중력 렌즈 효과를 겪는 고에너지 감마선 소스의 시간 지연을 측정할 수 있는가?
• RQ4 감마선 폭발 광선 곡선에서의 펌톨렌즈 탐색을 통해 10¹⁷–10²⁰ g 질량 범위 내 프라임리티브 블랙홀의 비율에 대해 어떤 제약 조건을 설정할 수 있는가?

주요 결과

• 레벨 2 트리거 시스템은 데이터 수집 시스템에서 처리 가능한 수준으로 트리거 레이트를 감소시켰으며, 알고리즘 필터링을 통해 효과적인 배경 억제를 달성하였다.
• PKS 1510-089의 VHE 방출은 단일 영역 내부 충격 시나리오를 사용하여 성공적으로 모델링되었으며, 먼지 터스에서 방출되는 적외선 광자의 콤프턴화가 고에너지 방출을 설명하고 Klein-Nishina 억제 한계를 피하는 데 기여하였다.
• 이중 파워 스펙트럼 방법은 PKS 1830-211의 Fermi-LAT 광선 곡선에서 27.1 ± 0.6일의 시간 지연을 탐지하여, 통계적 유의성 4.2σ로 중력 렌즈 효과에 대한 첫 번째 고에너지 감마선 증거를 제공하였다.
• 시간 지연 측정 결과는 이전의 전파 관측 결과(Lovell 등, 1998)와 일치하였으며, 통계적 불확실성을 한 단계 높게 향상시켰다.
• FERMI GBM이 관측한 128개의 감마선 폭발에서 펌톨렌즈 신호는 탐지되지 않았으며, 이에 따라 10¹⁷–10²⁰ g 질량 범위 내 프라임리티브 블랙홀의 임계 밀도 대비 3% 이상일 수 없음을 95% 신뢰수준에서 상한선으로 제시하였다.
• 결과적으로, 특히 이전에 약한 제약 조건이 존재했던 저질량 영역에서 프라임리티브 블랙홀이 어두운 물질 후보로서의 가능성을 크게 제약 조건화하였다.