Studies of the Influence of Moonlight on Observations with the MAGIC Telescope Daniel Britzger Munchen¨ 2009 Studies of the Influence of Moonlight on Observations with the MAGIC Telescope Daniel Britzger Diplomarbeit an der Fakult¨at fur¨ Physik der Ludwig{Maximilians{Universit¨at Munchen¨ vorgelegt von Daniel Britzger aus Marktoberdorf Munchen,¨ den 30. Juni 2009 Erstgutachter: Prof. Dr. C. Kiesling Zweitgutachter: Prof. Dr. D. Schaile Zusammenfassung Die hier vorgestellte Diplomarbeit behandelt ein Thema auf dem Gebiet der ergebunde- nen Gammastrahlenastronomie mit grossen Cherenkovteleskopen. Es geht dabei speziell um die Erweiterung der Messzeit durch Beobachtungen bei schwachem Mondlicht. Die ergebundene Gammastrahlenastronomie ist ein sehr erfolgreiches Teilgebiet der Hoch- energie Astroteilchenphysik, einem neuen und rasch expandierenden Bereich der Grund- lagenforschung. Nahzeu alle Resultate in der ergebundenen Gammastrahlen Astronomie wurden mit Cherenkovteleskopen erzielt. Mit diesen Teleskopen beobachtet man bei klaren, dunklen N¨achten das Cherenkovlicht das von Luftschauern in der Atmosph¨are abgestrahlt wird. Diese Luftschauer werden durch kosmische Teilchen, u.a. hochenerge- tische, kosmische Gammaphotonen beim Auftreffen auf die Atmosph¨are erzeugt. Eines der erfolgreichsten Teleskope auf diesem Gebiet ist das MAGIC Teleskop. Das MAGIC-I Teleskop auf der Kanareninsel La Palma hat eine parabolische Spiegelfl¨ache von 234 m2 und ist zur Zeit das weltgr¨oßte Teleskop mit der niedrigsten Energieschwelle. Die Ana- lyse von sehr schwachen und nur einige Nanosekunden (∼ 3 ns) dauernden Lichtblitzen, verursacht durch die Cherenkovstrahlung von Sekund¨arteilchen in einem ausgedehntem Luftschauer, erlaubt die Rekonstruktion der elektromagnetischen, bzw. hadronischen Kaskaden. So ist eine Klassifikation des Prim¨arteilchens, seiner Energie sowie der An- kunftsrichtung m¨oglich. Im Falle von Gammaquanten erlaubt dies auch die Zuordnung zu stellaren Objekten im Weltall. Die angewandte abbildende Luftschauer Cherenkovme- thode (englisch: imaging atmospheric Cherenkov technique) erm¨oglicht die Beobachtung von Gammastrahlung im Energiebereich von 30 GeV bis etwa 10 TeV und Flussen¨ von bis zu 10−12 pro cm2 und sec, da eine Detektionsfl¨ache von bis zu einigen 104 m2 zur Verfugung¨ steht. Dennoch wird selbst bei starken Quellen, wie etwa dem Krebsnebel, lediglich eine Gammarate von etwa 0.1 Hz und ein resultierender integraler Fluss von −10 −2 −1 FE>200GeV = (1:96 ± 0:05stat) × 10 cm s gemessen [1]. Im Gegensatz zu anderen Cherenkovteleskopen, wie dem High Energy Stereoscopic Sys- tem (H.E.S.S.) oder dem Very Energetic Radiation Imaging Telecope Array System (VE- RITAS), wurde das MAGIC-I Teleskop auch fur¨ Gammastrahlenbeobachtungen w¨ahrend Mondscheins geplant. Dies erm¨oglicht es, die bei anderen Teleskopen ubliche¨ Beobach- tungszeit von 1600 Stunden pro Jahr um etwa 30% auf uber¨ 2150 Stunden pro Jahr zu erh¨ohen. Das Mondstreulicht bildet einen erheblichen Untergrund bei der Aufzeichnung des Cherenkovlichts und fuhrt¨ damit zu einer m¨oglichen Verf¨alschung der Ergebnisse. Gegenstand meiner Arbeit ist die Untersuchung des Einflusses des Mondlichts auf die Messungen und die Verbesserung der Analysemethoden. Um ein tieferes Verst¨andnis uber¨ den Einfluss des Mondlichts zu bekommen, wurde ein Modell zur Bestimmung der Lichtintensit¨at des Streulichts entwickelt. Dieses Mo- vi 0. Zusammenfassung dell wurde speziell an die Gegebenheiten von MAGIC-I angepasst. Insbesondere ist es das erste Modell dieser Art, das fur¨ kleine Mondphasen und fur¨ geringe Mondh¨ohen uber¨ dem Horizont (ab 1◦)Gultigkeit¨ hat. Es kann beispielsweise fur¨ automatisierte Monte Carlo Simulationen oder fur¨ einen otpimierten Beobachtungsplan verwendet wer- den. Neben den Modellentwicklungen wurden auch detaillierte Messungen bei Mondlicht durchgefuhrt,¨ um die Annahmen zu verifizieren. Anhand von Gammastrahlenbeobachtungen des Krebsnebels unter Mondlicht, welche von Februar 2007 bis Februar 2008 durchgefuhrt¨ wurden, werden die Auswirkungen eines erh¨ohten Nachthimmeluntergrunds auf einzelne Subsysteme der Datennahme un- tersucht und er¨ortert. Die bei der Standarddatenanalyse auftretenden aber bisher ver- nachl¨assigten Beitr¨age des Mondlichts fuhren¨ zu einer niedrigeren Gammarate und einer geringeren Sensitivit¨at. Dazu wurde eine Variante der Bildreinigungsmethode (englisch: image cleaning method) untersucht, die eine korrekte Datanalyse bei einem Mondlicht- hintergrund, der bis zu einem Faktor 10 - 15 uber¨ dem Nachthimmel Lichtuntgergrund in dunklen Himmelsregionen liegt, erlaubt. Im Bezug auf statistische Bildparameterver- teilungen wurden die ermittelten Ergebnisse mit Monte Carlo Simulationen best¨atigt. Ich konnte zeigen, dass die Standardanalyse bei einem Mondstreulicht von bis zu einem 2.5-fachen Wert des Nachthimmeluntergrunds benutzt werden kann. Wird die ausge- arbeitete Empfehlung von ge¨anderten Bildreinigungsparametern befolgt oder werden angepasste Monte Carlo Simulationen verwendet, so kann mindestens bis zu einem 6.0- fachem Nachthimmeluntergrund beobachtet werden, ohne dass sich die Sensititv¨at des Instruments verringert. Dem entwickeltem Model zufolge entspricht dieser Hintergrund einem 70%-ig beleuchtetem Mond bei einem ausreichendem Winkelabstand zur Gamma- strahlenquelle von uber¨ 50◦. Die dabei gewonnene zus¨atzliche Beobachtungszeit fuhrt¨ zu einem wesentlich gesteigerten wissenschaftlichen Nutzen des MAGIC Teleskops, um bei- spielsweise neue Gammastrahlenquellen zu entdecken oder bisher unverstandene Gam- mastrahlenausbruche¨ zu erforschen. Contents Zusammenfassung v 1 Introduction 1 2 Astroparticle Physics 5 2.1 History of γ-ray astroparticle physics . .5 2.2 Cosmic rays . .7 2.3 Very high energy gamma rays . .9 2.3.1 The electromagnetic spectrum . .9 2.3.2 Production mechanisms of VHE photons . 10 2.3.3 Absorption mechanisms and propagation of VHE photons . 12 2.4 Sources of very high energy γ-rays . 13 2.4.1 Galactic sources . 14 2.4.2 Extragalactic sources . 15 3 The MAGIC Telescope and the Imaging Atmospheric Cherenkov Technique 19 3.1 The Imaging Atmospheric Cherenkov Technique . 19 3.1.1 Extended air showers . 19 3.1.2 Cherenkov light emission . 22 3.1.3 The imaging atmospheric Cherenkov technique . 23 3.2 The MAGIC-I Telescope . 26 3.2.1 The structure and mirrors . 27 3.2.2 The MAGIC-I PMT-camera . 27 3.2.3 The trigger . 28 3.2.4 The data acquisition system . 29 4 The MAGIC Standard Analysis 31 4.1 Data selection . 31 4.2 Event reconstruction and shower parametrization . 31 4.2.1 Image cleaning . 32 4.2.2 Shower image parametrization . 32 4.3 Event classification (Gamma/hadron separation) . 33 4.4 Gamma-ray excess determination . 34 4.5 Energy estimation . 37 4.6 Spectrum calculation . 37 4.7 Significance of an excess being a signal . 38 4.8 Software framework . 38 5 Observations with the MAGIC Telescope during Moonlight 41 5.1 IACT observations under moonlight conditions . 41 viii Contents 5.1.1 Early Whipple observations . 41 5.1.2 Observations with the HEGRA CT1 . 41 5.1.3 H.E.S.S. Telescope array . 42 5.1.4 VERITAS . 43 5.1.5 MAGIC-I . 43 5.2 Observation time under moonshine . 44 5.2.1 Orbital parameters of the moon . 45 5.2.2 Xephem . 46 5.2.3 Observation time under moonlight conditions . 46 5.3 Considerations for observations with MAGIC during moonshine . 50 5.3.1 The photomultiplier tubes . 51 5.3.2 L0-Trigger . 51 5.3.3 L1-Trigger . 52 5.3.4 Pedestals . 53 5.3.5 Further motivation for studying moonlight observations . 55 6 A Model for Estimating the Brightness of the scattered Moonlight 57 6.1 Light of the night sky . 57 6.2 The anode current readout and data selection . 58 6.3 Theoretical assumptions . 59 6.4 The brightness of the moon . 63 6.5 Atmospheric attenuation of the moonlight . 66 6.6 Rayleigh and Mie scattering . 69 6.7 Result . 72 6.8 Discussion of the moon model . 74 7 Performance of the MAGIC Telescope during Moonlight Observations 77 7.1 Data selection and analysis approach . 77 7.1.1 Data selection . 77 7.1.2 Analysis approach . 78 7.2 Number of Islands . 79 7.3 Extraction of the γ-ray signal . 81 7.4 Sensitivity of MAGIC-I under moonlight conditions . 84 7.4.1 Significance of one hour of Crab Nebula observation under moon- light condition . 84 7.4.2 The sensitivity of MAGIC-I during moonlight observations . 84 7.4.3 Crab observations at large zenith angles . 85 7.5 Monte Carlo simulations of γ-rays under moonlight conditions . 87 7.6 Effective collection area . 87 7.7 Study of the energy threshold during moonlight observations . 88 7.8 The Crab spectrum under moonlight conditions . 90 8 Conclusions and Outlook 93 8.1 Conclusions . 93 8.2 Outlook . 94 A Appendix 97 Inhaltsverzeichnis ix A.1 Observations at small separation angles . 97 A.2 Additional figures and plots . 100 Acknowledgment 113 x Inhaltsverzeichnis 1 Introduction This thesis deals with a topic in the research area of ground-based γ-ray astronomy with large Cherenkov telescopes. It elaborates especially the extension of the observation time under moderate moonlight. The ground-based γ-ray astronomy is a very successful branch in high energy astropar- ticle physics, a new and rapidly expanding area of fundamental research. Most of the results of ground-based γ-ray astronomy were achieved with Cherenkov telescopes. With such telescopes one observes during clear dark nights the Cherenkov light emitted by ex- tended airshowers in the atmosphere. These airshowers are induced by cosmic particles, among others also by γ-rays, impinging on