First Study of Fast Variability in Markarian 421 with the MAGIC Stereoscopic System
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First study of fast variability in Markarian 421 with the MAGIC stereoscopic system Dissertation Physik-Department Technische Universität München Max-Planck-Institut für Physik (Werner-Heisenberg-Institut) vorgelegt von Burkhard Steinke im März 2012 Technische Universität München Max-Planck-Institut für Physik (Werner-Heisenberg-Institut) First study of fast variability in Markarian 421 with the MAGIC stereoscopic system Burkhard Friedrich Walter Steinke Vollständiger Abdruck der von der Fakultät für Physik der Technischen Universität München zur Erlangung des akademischen Grades eines Doktors der Naturwissenschaften genehmigten Dissertation. Vorsitzender: Univ.-Prof. Dr. A. Ibarra Prüfer der Dissertation: 1. Hon.-Prof. Dr. S. Bethke 2. Univ.-Prof. Dr. L. Oberauer Die Dissertation wurde am 14.03.2012 bei der Technischen Universität München eingereicht und durch die Fakultät für Physik am 16.04.2012 angenommen. Abstract Markarian 421 is the closest known and one of the best studied very high energy (VHE) γ-ray emitting blazars. Its spectral energy distribution (SED) shows a characteristic two component structure: The first component ranges from the radio over optical and UV to the X-ray band, the second emerges in the γ-ray regime. The two Major Atmospheric Gamma-ray Imaging Cherenkov (MAGIC) telescopes, measuring in the VHE γ-ray regime, perform regular observations since the end of 2009. In this work, the first stereoscopic observations of Markarian 421 during high source activity from January 2010 were analysed and studied with regard to flux and spectral variations. Two distinct flares were observed on 14–15/01/2010 and 20/01/2010, reaching a flux level of 2.7 Crab units (c.u.) and 2.6 c.u. above 200 GeV, respectively. The observation periods immediately before and after the flares showed comparatively low flux levels (0.5 1.5 c.u.). The corresponding SEDs, obtained from hour-scale − exposures and ranging from 80 GeV to 5 TeV and 8 TeV, respectively, exhibit a clear curvature in case of the flares and the position of the high-energy peak could be measured directly. Due to the low energy threshold and high sensitivity of the MAGIC stereoscopic system, this is the first time that the spectral evolution in a broad VHE γ-ray range could be resolved on these short timescales. Embedded into a framework of simultaneous multiwavelength observations, the high-activity states found with MAGIC in the VHE γ-ray regime showed clear correlations with high emission activity in the X-ray regime. This suggests that both emissions are produced in the same region by (possibly) the same population of particles. Radio and optical/UV data did not show any correlated emission. The multiwavelength results were described with two one-zone synchrotron self-Compton models. One model explains the X-ray and VHE γ-ray emission to originate from a common region and shows a correlation of the electron number density with source activity. It was found that the changes of this parameter can satisfactorily explain the main flux variations in both emission regimes. In this framework, an increased electron number density is responsible for a raised flux level. The other model also includes the optical/UV emission into the description. Here, four parameters show correlations with source activity, but it was found that these parameters alone can not be responsible for the flare emission. The quality of the MAGIC results was crucial in imposing model constraints, since MAGIC was the only instrument covering the high-energy SED component in this analysis. With wide-range measurements obtained on short timescales, these results constitute a substantial improvement compared to preceding works. Kurzfassung Markarian 421 ist einer der am dichtesten zur Erde gelegenen und bester- forschten Blazare. Seine spektrale Energieverteilung (SED) zeigt eine charakte- ristische Zweikomponentenstruktur: Die erste Komponente erstreckt sich aus dem Radio- über den optischen und UV- hin zum Röntgen-Wellenlängenbereich, die zweite Komponente verläuft im γ-Strahlungsbereich. Die zwei Major Atmo- spheric Gamma-ray Imaging Cherenkov (MAGIC) Teleskope, deren Messbereich im sehr hochenergetischen (VHE) γ-Strahlungsbereich liegt, führen seit Ende 2009 regelmäßige Observationen durch. In dieser Arbeit wurden die ersten stereoskopen Observationen von Markarian 421 während einer Phase erhöhter Quellaktivität analysiert und hinsichtlich Fluss- und Spektralschwankungen untersucht. Am 14.–15.01.2010 und 20.01.2010 wurden zwei Strahlungsausbrüche (Flares) beobachtet, die einen Flussstand von 2.7 Crabeinheiten (c.u.) bzw. 2.6 c.u. über 200 GeV erreichten. Die Observationszeiträume unmittelbar vor und nach den Flares zeigten vergleichsweise niedrige Flussstände (0.5 1.5 c.u.). Die zugehö- − rigen SEDs (80 GeV 5 TeV bzw. 8 TeV), erstellt aus relativ kurzen Expositionen − ( 1 2 h), weisen im Falle der Flares eine eindeutige kurvenförmige Struktur ≈ − auf und der Scheitelpunkt der hochenergetischen SED-Komponente konnte direkt gemessen werden. Aufgrund der geringen Energieschwelle und der hohen Sensiti- vität der stereoskopen MAGIC-Teleskope ist dies das erste Mal, dass die spektrale Entwicklung in einem breiten Bereich der VHE γ-Strahlung auf diesen kurzen Zeitskalen aufgelöst werden konnte. Kombiniert mit simultanen Multiwellenlängenbeobachtungen, zeigten die von MAGIC beobachteten Zustände hoher Aktivität im VHE γ-Strahlungsbereich klare Korrelationen mit Zuständen hoher Aktivität im Röntgenbereich. Dies deutet darauf hin, dass beide Emissionen in der gleichen Region von (möglicherweise) den gleichen Teilchen erzeugt werden. Radio- und optische/UV-Strahlung wiesen keine korrelierte Emission auf. Die Multiwellenlängenergebnisse wurden mit zwei Einzonen-Synchrotron-Self- Compton-Modellen beschrieben. Eines der Modelle erklärt die Röntgen- und VHE γ-Strahlungsemission als aus einer gemeinsamen Region stammend und weist eine Korrelation der Elektronenzahldichte mit der Quellaktivität auf. Es zeigte sich, dass die Veränderungen dieses Parameters die Flussvariationen in beiden Emissionsbereichen generell erklären können. In diesem Rahmen ist eine erhöhte Elektronenzahldichte verantwortlich für erhöhte Flussstände. Das andere Modell bezieht auch die optische/UV-Emission in die Beschreibung mit ein. Hier zeigten vier Parameter Korrelationen mit der Quellaktivität, deren Veränderungen allein allerdings nicht ausreichen, um die Flussvariationen befriedigend zu beschreiben. Die Qualität der MAGIC-Ergebnisse war entscheidend bei der Eingrenzung der Modellparameter, da MAGIC das einzige Instrument in dieser Analyse war, das die hochenergetische SED-Komponente abdeckte. Mit Messungen in einem breiten Energiebereich auf relativ kurzen Zeitskalen stellen diese Ergebnisse eine wesentliche Verbesserung im Vergleich zu vorhergehenden Arbeiten dar. Contents Contents Abbreviations and acronyms v 1Introduction 1 2 VHE γ-ray astrophysics 3 2.1 Cosmicrays............................... 3 2.2 γ-rayastronomy ............................ 5 2.3 Active Galactic Nuclei (AGN) . 8 2.3.1 Centralengine ......................... 9 2.3.2 Blazars . 10 3Blazarjetphysics 13 3.1 Photon production scenarios . 13 3.1.1 Synchrotron radiation . 13 3.1.2 Inverse Compton (IC) scattering . 14 3.1.3 Synchrotron self-Compton (SSC) scenario . 15 3.1.4 Other leptonic scenarios . 17 3.1.5 Hadronic scenarios . 17 3.1.6 Comparison of scenarios . 18 3.2 Particle acceleration in the jet . 19 3.2.1 First order Fermi acceleration or shock acceleration . 19 3.2.2 Second order Fermi acceleration . 20 3.2.3 Shear acceleration . 21 3.2.4 Maximum achievable energy . 21 3.2.5 Observational constraints . 23 4 IACT technique 25 4.1 Airshowers ............................... 25 4.1.1 Photon and electron energy losses . 25 4.1.2 Electromagnetic and hadronic air showers . 26 4.2 Cherenkov radiation . 28 4.3 Cherenkov radiation by air showers . 30 4.4 Imagingtechnique ........................... 32 ii Contents 5 MAGIC telescopes 35 5.1 Reflectors ................................ 35 5.2 Cameras................................. 36 5.2.1 MAGIC-II camera control . 37 5.2.2 Monitoring of MAGIC-II camera parameters . 41 5.3 Triggersystem ............................. 45 5.4 Data acquisition (DAQ) system . 45 5.5 Calibration . 45 5.6 Observationmode ........................... 47 6MAGICanalysischain 49 6.1 Signal extraction and calibration . 49 6.2 Imagecleaning ............................. 49 6.3 Parametrisation............................. 50 6.4 Data quality selection . 52 6.5 Stereo parameters . 54 6.6 γ-ray and hadron shower separation . 55 6.7 Energy reconstruction . 55 6.8 Calculation of Spectra and Lightcurves . 56 6.9 Signalcuts................................ 57 6.10Unfolding ................................ 58 6.11 Systematic uncertainties . 60 7Stereotriggerinhomogeneity 63 7.1 Appearance of a stereo trigger inhomogeneity . 63 7.2 Methodologyoftest .......................... 65 7.3 Test on Crab nebula November 2009 data . 65 7.4 Test on Mrk 421 January 2010 data . 65 7.5 Comparisonoftests .......................... 68 7.6 Test on background calculation in different positions . 68 7.7 Conclusion................................ 71 8 ReferenceanalysisoftheCrabnebula 73 8.1 Crabnebula............................... 73 8.2 Datasample............................... 74 8.3 Results.................................. 75 8.3.1 Totalsignal ........................... 75 8.3.2 Fluxstability .......................... 75 8.3.3 Spectral energy distribution (SED) . 77 8.4 Conclusion...............................