[论文解读] 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 3

一句话总结

本论文介绍了H.E.S.S. II望远镜二级触发系统的开发与验证，通过抑制背景触发，实现了高效的单镜面运行。利用费米-LAT数据，首次在PKS 1830-211中观测到引力透镜效应的高能伽马射线证据，测得27.1 ± 0.6天的时间延迟，同时对原初黑洞设定了新约束，排除了在95%置信水平下10¹⁷–10²⁰ g质量范围内占临界密度超过3%的可能性。

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.

研究动机与目标

• 开发一种稳健的二级触发系统，以减少H.E.S.S. II 28米望远镜在单镜面模式下的误触发。
• 分析耀变体PKS 1510-089的多波段数据，尽管理论上因Klein-Nishina抑制而预期无显著探测发射，仍成功建模其VHE发射。
• 在高能伽马射线透镜类星体中检测并测量时间延迟，克服高能仪器角分辨率的限制。
• 在伽马暴光 light curves 中搜索飞米透镜效应，以约束10¹⁷–10²⁰ g质量范围内的原初黑洞丰度。

提出的方法

• 设计了一种结合硬件与软件的二级触发系统，采用算法过滤和蒙特卡洛模拟，以排除μ子引起的背景事件。
• 应用单区内部激波模型，并通过尘埃环的红外光子康普顿化，解释PKS 1510-089的VHE发射。
• 开发了“双功率谱”方法，一种基于傅里叶变换的时域技术，利用光曲线的双重傅里叶变换检测未分辨透镜像中的时间延迟。
• 利用300 MeV–30 GeV的费米-LAT光曲线，采用常规、低噪声采样，实现高精度时间延迟估计，无需图像分离。
• 分析了128个已知红移的伽马暴的FERMI GBM数据，搜索由致密天体引起的强度涨落，以探测飞米透镜效应。
• 通过模拟光曲线校准探测灵敏度，并应用显著性检验，推导出原初黑洞丰度的上限。

实验结果

研究问题

• RQ1 在单镜面模式下，二级触发系统如何有效抑制背景触发，同时保持VHE伽马射线信号的触发效率？
• RQ2 尽管存在强烈吸收和Klein-Nishina抑制，PKS 1510-089的平光谱射电类星体VHE发射是否能在单区内部激波情景下一致建模？
• RQ3 当仪器无法分辨个体像时，能否测量引力透镜高能伽马射线源中的时间延迟？
• RQ4 能否通过伽马暴光曲线中的飞米透镜搜索，对10¹⁷–10²⁰ g质量范围内的原初黑洞丰度施加约束？

主要发现

• 二级触发系统成功将触发率降低至数据采集系统可处理的水平，通过算法过滤实现了有效的背景抑制。
• PKS 1510-089的VHE发射成功通过单区内部激波情景建模，尘埃环的红外光子康普顿化解释了高能发射，避免了Klein-Nishina抑制极限的影响。
• 双功率谱方法在Fermi-LAT光曲线中检测到PKS 1830-211的27.1 ± 0.6天时间延迟，提供了首个具有4.2σ统计显著性的高能伽马射线引力透镜证据。
• 该时间延迟测量与先前的射电观测（Lovell et al., 1998）一致，并将统计不确定性降低了整整一个数量级。
• 在FERMI GBM观测的128个伽马暴中未检测到飞米透镜信号，因此在95%置信水平下，原初黑洞在10¹⁷–10²⁰ g质量范围内的丰度上限低于临界密度的3%。
• 结果显著限定了原初黑洞作为暗物质候选者的参数空间，特别是在此前约束较弱的低质量区域。