observations of the crab pulsar in gamma rays above 1 teraelectronvolt

125 Pages·2017·21.49 MB·English

ETH Library
Observations of the Crab
Pulsar in Gamma Rays Above 1
Teraelectronvolt
Doctoral Thesis
Author(s):
Ahnen, Max L.
Publication date:
2017
Permanent link:
https://doi.org/10.3929/ethz-a-010869952
Rights / license:
In Copyright - Non-Commercial Use Permitted
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DISS. ETH NO. 24112
OBSERVATIONS OF THE
CRAB PULSAR IN GAMMA RAYS
ABOVE 1 TERAELECTRONVOLT
Athesissubmittedtoattainthedegreeof
DOCTOR OF SCIENCES OF ETH ZURICH
(Dr.sc.ETHZurich)
presentedby
MAX LUDWIG AHNEN
Dipl.-Phys.Univ.,TechnischeUniversitätMünchen
bornKnötigon12.05.1988
citizenof
GERMANY AND BRAZIL
acceptedontherecommendationof
PROF. DR. ADRIAN BILAND
PROF. DR. GÜNTHER DISSERTORI
PROF. DR. KLAUS KIRCH
2017
MaxLudwigAhnen:ObservationsoftheCrabPulsarinGammaRaysAbove1Teraelectronvolt,Diss
ETHNo.24112,2017.
The figure above is reproduced from the Cambridge Encyclopedia of Astronomy. It shows
verticallyalignedradiopulsesfromPSRB1919+21,thefirstpulsardiscovered.
TheSunWentDown
THEsunwentdownbehindthehill,
Nolightwasonthelea,
Thefowlsandbirdssleptcalmandstill,
Butsleepcamenottome.
Themoonpeepedinbeneaththeeaves,
Thebalanceroseonhigh,
Thefreshnight-windthatstirredtheleaves
Spoketothestarrysky.
Ah,gentlewindsandstarsoflight,
Whereismyloveto-night?
Yepaintedeyesofheavensobright,–
Sawyoumyloveto-night?
Daydawned,–unboltedwasourdoor:–
Thesnowflakeswhirledlikefoam,
’Tiscloudandstorm,thewildwindsroar
Whycomesmylovenothome?
AvetikIsahakyan
translatedbyZ.C.Boyajian
DedicatedtoLindaandMabel,thelightsofmyeyes.

Zusammenfassung
DieSchlüsselfragedieserDissertationist:EmittiertderPulsarimKrebsnebelgepulsteGamma-
strahlungoberhalbvon1TeV?DieseFragewirdimRahmenderKollaborationvonCheren-
kovteleskopenFACTundMAGICaufderKanareninselLaPalmauntersucht.
Für die Messung eines Pulsares ist ein präziser Zeitstempel von entscheidender Bedeu-
tung.DeswegenentwickelteichimRahmendieserPromotionsarbeitzunächstdieHardware
umFACTsZeitpräzisionaufdasnotwendigeLevelzuverbessern.Zweitensentwickelteich
DatenanalysewerkzeugequerdurchalleDatenlevelsumsieaufFACT-undMAGIC-Daten
anzuwenden.EinAugenmerkliegthierbeiaufderKreuzkalibierungderFACT-undMAGIC-
TeleskopeaufEventbasis.
DieErfolgedieserPromotionsinderstensdieEntwicklungvonHardwareundSoftware,
die eine präzise Bestimmung der absoluten Eventankunftszeit auf 4.56µs mit FACT erlau-
ben,zweitensdieersteerfolgreicheKreuzkorrelationvonFACTundMAGICaufEventbasis,
drittensderersteDirektvergleichvonSiliconPhotomultiplierundPhotomultiplierCherenkov-
teleskopBildern,viertensdieValidierungderzuvorentwickeltenFACT-Zeitrekonstruktion,
fünftensdieEntwicklungdeserstenFACT-Datenleveldrei,sechstensdieVerbesserungvon
On/OffMessmethoden,dieauchmitdengeringstenEventratenzurechtkommenundsiebtens
dieVerbesserungvonMethodenumintegralespektraleAusschlussregionenzuberechnen.
Schlussendlich wird die Datenanalyse auf drei Jahre der Teleskopdaten angewandt. In
dreiJahrenFACT-DatenfindeichdenPulsarimKrebsnebelnicht.DieDatenwerdenjedoch
verwendetumdiedarüberhinausnotwendigeBeobachtungszeitabzuschätzenundumphy-
sikalische obere Grenzen der Quellemission herzuleiten. Die Resultate zeigen an, dass es
kosteneffizientistCherenkovteleskopederFACT-Klassezuverwenden,umunserWissenüber
diehöchstenergetischeEmissionvonPulsarenzuerweitern.
v

Abstract
Thekeyquestionbeingexaminedinthisworkis: DoestheCrabPulsaremitgammaraysabove
1TeV?ThisquestionisinvestigatedaspartofthecollaborationofCherenkovTelescopesFACT
andMAGIContheCanarianIslandofLaPalmaandinparticularfortheFACTtelescope.
Forthismeasurementaprecisetimingofeventsiscrucial. Therefore,thetaskofthisPhDis
tofirst,buildthenecessaryhardwaretoensureahighdataquality,includingtimingprecision.
Second, todevelopthenecessarytoolsacrossalldatalevelstoanalyzetheFACTdata, and
third, to apply the tools on the FACT data. The MAGIC Cherenkov telescopes serve as a
valuablecrosscalibrationdevice.
The achievements of this PhD are first, the development of hardware and software to
allow measuring the precise arrival time of air showers with 4.56µs time resolution with
FACT.Second,thefirstsuccessfulcrosscorrelationofFACTwithMAGIContheeventlevel.
Third,thefirstsuccessfuldirectcomparisonofsiliconphotomultiplierandphotomultiplier
Cherenkovtelescopeevents. Fourth,thevalidationofthedevelopedFACTtiminghardware&
software,enablingtopotentiallymeasurepulsars. Fifth,thedevelopmentofthefirstFACT
data level 3. Sixth, the improvement of On/Off measurement analysis methods, enabling
precise flux statements in spite of few counts. Seventh, the improvement of integral upper
limitmethods,enablingtointuitivelyshowwhichspectraareruledoutbymeasurements.
Finally, the Crab pulsar is not found in three years of FACT data. However, the data is
usedtopredicttheadditionallynecessaryFACTobservationtimeandtoderivephysicalupper
limitsonthesourceemission. Theresultsindicatethatitmightbecostefficienttousesmall
FACT scale Cherenkov telescopes in order to push the limits of our understanding in this
direction.
vii
Contents
TheSunWentDown . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . iii
1 Introduction 1
1.1 AimoftheThesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 Astro-ParticlePhysics. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2.1 CosmicRays . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.2.2 GammaRays . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.3 AstrophysicalGammaRayDetectors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.4 ExtensiveAirShowers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.5 ImagingAtmosphericCherenkovTelescopes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.5.1 CherenkovEffect . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.5.2 ImagingofAirShowers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.5.3 MAGICTelescopes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
1.5.4 FACTTelescope . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
1.6 Pulsars . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
1.6.1 PulsarAstrophysics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
1.6.2 TheCrabPulsar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2 Developments 23
2.1 Hardware: GPSClock . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
2.1.1 TimingProblem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
2.1.2 Hardware . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
2.1.3 Firmware . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
2.1.4 LabTests . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
2.1.5 OnSite . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
2.2 Software: FACTEventTimingReconstructions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
2.2.1 UniversalCoordinatedTimeReconstruction . . . . . . . . . . . . . . . . 41
2.2.2 BarycentricTimeReconstruction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
viii
Contents
2.2.3 CrabPulsarPhaseReconstruction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
2.3 Software: MAGIC-FACTCorrelation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
2.3.1 DatabaseCorrelation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
2.3.2 Event-WiseCorrelation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
2.4 Software: FACTAppliedReconstructionAlgorithms(ARA) . . . . . . . . . . . 48
2.4.1 ARADataStructure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
2.4.2 ARAProcedures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
2.5 HighLevelAnalysis: OntheOn/OffProblem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
2.5.1 AnObjectiveBayesianAnalysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
2.5.2 Application: FACTLightCurves . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
2.5.3 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
2.6 HighLevelAnalysis: OnUpperLimitsAssumingPowerLawDistributions . . 65
2.6.1 UpperLimitsintheContextofOn/OffMeasurements . . . . . . . . . . 65
2.6.2 IntegralUpperLimitsAssumingPowerLawEmission . . . . . . . . . . 66
2.6.3 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
3 Analysis 71
3.1 FACTEventTimingReconstruction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
3.2 MAGIC-FACTCorrelation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
3.3 FACTAppliedReconstructionAlgorithms(ARA) . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
3.4 FACTCrabPulsarObservations. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
4 Conclusion 97
A OntheCalculationoftheBayesianSolutiontotheOn/OffProblem 99
A.1 Jeffreys’sPriors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
A.2 CalculationoftheBayesFactor B . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
01
A.3 CalculationoftheMarginalizedPosteriorfortheSignalParameter . . . . . . . 101
Bibliography 103
Index 113
ix