Diss. ETH No. 20980 Observations of Markarian 421 in 2010 and 2011 with the MAGIC Telescopes A dissertation submitted to ETH Zurich for the degree of Doctor of Sciences presented by Andrea Susanne Boller Dipl. Phys. ETH born February 3, 1980 citizen of Zurich (ZH) accepted on the recommendation of Prof. Dr. Felicitas Pauss, examiner Prof. Dr. Günther Dissertori, co-examiner 2013
Abstract From the first observations of the night sky until the 20th century, all astronomical knowledge was based on visible light, a tiny fraction of the electromagnetic spectrum. As the atmosphere is not transparent to light of most parts of the electromagnetic spectrum, it was not before the era of satellites and the development of new measurement techniques that observations over the whole energy range became possible and allowed a more complete view of the sky and its sources. At the highest energies ( 100 GeV to 100 TeV), the sky is observed by Imaging Atmospheric Cherenkov Telescopes (IACTs) that use the atmosphere as a calorimeter, like the MAGIC telescopes located at the Canary island of La Palma. One class of sources that are active at all energy ranges are blazars. Blazars, belonging to the class of active galactic nuclei, are powered by a supermassive black hole at the center of a host galaxy. As material is transported toward the central black hole, two oppositely directed and relativistic outflows of material are emitted, the so-called jets. Different regions and acceleration processes of the source produce a variety of radiation from low frequency radio to extremely energetic gamma-rays, whereby the overall Spectral Energy Distribution (SED) exhibits a typical two-bump structure. As one of the jets is directly pointed to the Earth in the case of blazars, they allow to observe the highest energetic photons in the universe. In this thesis, the blazar Markarian 421 (Mrk421) is investigated. Mrk421, located in the constellation Ursa Major, was detected at TeV energies in 1992 by the Whipple telescope as the first extragalactic TeV source. With a redshift of z=0.030021, it is one of the closest TeV blazars and also one of the brightest. It has been examined by many different telescopes and in extensive multiwavelength campaigns since, and is today one of the bestinvestigated TeV blazars. But despite the numerous observations, many questions like the the underlying production mechanism of the radiation still remain debated. It is therefore important to continue observing. In this work, observations of Mrk421 by the MAGIC telescopes in 2010 and 2011 are presented. Lightcurves have been processed, with a much denser sampling density in 2010 compared to 2011. The flux showed strong variability including some flaring states up to three Crab units (the Crab Nebula is the standard candle in gamma-ray astronomy) in 2010, while the measured flux was generally low in 2011. The lightcurves showed higher variability at higher energy ranges, and the 2010 lightcurve was more variable at shorter time bins. A trend toward increasing hardness for higher flux states was observed in the flux points of individual nights, as well as in the energy spectra of different periods during a flaring episode in May 2010. The search for short intranight variability was performed systematically. Unfortunately, nature didn t provide us with a very strong flare comparable to the one observed in 2001 in the years investigated in this thesis, but a short time variability could be found in the night from 5 to 6 February 2010. Of special interest was the combination of the MAGIC data with observations performed by the KVA optical telescope at La Palma and the gamma-ray detector on board the Fermi satellite. The Large Area Telescope (LAT) installed on the Fermi satellite performs observations in the energy range from some tens of MeV up to some tens of GeV, in an energy III
range that overlaps with MAGIC. Correlation studies revealed no correlation of MAGIC and KVA lightcurves, but a trend for correlation between MAGIC and Fermi lightcurves was found. By combining the energy spectra measured by MAGIC and Fermi, the complete highenergy peak of the SED could be produced for different time periods and flux states of Mrk421, and was a power law with exponential cutoff was used to fit the high-energy peak. As a result, the cutoff energy shifted toward higher energies for increasing flux levels, corresponding to a hardening of the spectrum during the period of investigation.
Zusammenfassung Von den ersten Beobachtungen des Nachthimmels bis ins zwanzigste Jahrhundert basierte das gesamte astronomische Wissen auf sichtbarem Licht, einem kleinen Teil des elektromagnetischen Spektrums. Für weite Bereiche dieses Spektrums ist die Atmosphäre nicht durchlässig, deshalb wurden Beobachtungen über den gesamten Wellenlängenbereich erst im Zeitalter der Satelliten und dank neuer Messtechniken möglich. Dies ergab schliesslich ein vollständigeres Bild des Himmels und seiner Quellen. Im Bereich der höchsten Energien ( 100 GeV bis 100 TeV) kommen so genannte Luft-Tscherenkov-Teleskope zum Einsatz, welche die Atmosphäre als Kalorimeter verwenden. Dazu gehören zum Beispiel die MAGIC-Teleskope auf der Kanarischen Insel La Palma. Eine Klasse astronomischer Objekte die über den gesamten Energiebereich aktiv ist, sind die so genannten Blasare. Blasare gehöeren zur den Aktiven Galaktischen Kernen und werden von einem supermassiven schwarzen Loch im Zentrum einer Muttergalaxie angetrieben. Dabei transportiert eine Akkretionsscheibe Materie in Richtung des Zentrums. Senkrecht dazu bilden sich gerichtete und relativistische Materieströme, die so genannten Jets. Verschiedene Bereiche und Beschleunigungsmechanismen dieser Quelle produzieren eine grosse Bandbreite an Strahlung, von tieffrequenter Radiostrahlung bis zu hochenergetischer Gammastrahlung. Die gesamte spektrale Energieverteilung weist dabei eine charakteristische Struktur mit zwei Maxima auf. Da bei Blasaren einer der Jets direkt in Richtung Erde zeigt, ermöglichen sie die Beobachtung der höchstenergetischen Photonen im Universum. In dieser Arbeit wird der Blasar Markarian 421 (Mrk421) im Sternbild des Grossen Bären untersucht. Mrk421 war die erste extragalaktische Quelle, die 1992 im Bereich der TeV-Energien vom Whipple-Teleskop entdeckt wurde. Mit einer Rotverschiebung von z=0.030021 ist Mrk421 einer der nächsten und hellsten TeV-Blasare, und heute auch einer der bestuntersuchten. Obwohl der Blasar von verschiedenen Teleskopen und in umfassenden Wellenlängenkampagnen erforscht wurde, bleiben viele Fragen umstritten beispielsweise die Frage nach dem Produktionsmechanismus der Strahlung. Es ist daher wichtig, die Beobachtungen weiterzuführen. In dieser Arbeit werden Beobachtungen von Mrk421 aus den Jahren 2010 und 2011 mit den MAGIC-Teleskopen präsentiert. Es wurden Lichtkurven erstellt, wobei für das Jahr 2010 deutlich mehr Daten zur Verfügung standen als für das Jahr 2011. Während der Fluss 2010 sehr variabel war mit Strahlungsausbrüchen, die bis zu dreimal so hoch wie der Fluss vom Krebsnebel (der Krebsnebel ist die Standardquelle in der TeV-Astronomie) waren, war der gemessene Fluss im Jahr 2011 allgemein niedrig. Die Lichtkurven waren variabler in höheren Energiebereichen, und die Lichtkurve von 2010 zeigte zudem eine höhere Variabilität in kürzeren Zeiteinheiten. Sowohl in den Flusswerten individueller Beobachtungsnächte als auch in den Energiespektren verschiedener Perioden während einer aktiven Phase im Mai 2010, zeigte sich eine Tendenz zu härteren Energiespektren für höhere Flusswerte. Die Suche nach kurzzeitigen Variabilitätsschwankungen innerhalb der einzelnen Nächte wurde systematisch durchgeführt. Eine so starke Helligkeitsschwankung wie beispielsweise im Jahr 2001 trat leider im untersuchten Zeitraum nicht auf. Trotzdem konnte in der Nacht vom 5. zum 6. Februar 2010 eine Kurzzeitschwankung gefunden werden. Besonders interessant war die Kombination von MAGIC-Daten mit Beobachtungen, V
die vom optischen Teleskop KVA und dem Gammastrahlen-Detektor an Bord des Fermi- Satelliten durchgeführt wurden. Das auf dem Fermi-Satelliten installierte Large Area Telescope (LAT) sammelt Daten zwischen einigen Dutzend MeV und einigen Dutzend GeV. Die Messungen liegen damit in einem Energiebereich, der sich teilweise mit MAGIC überschneidet. Korrelationsstudien zeigten keine Korrelation der MAGIC- und KVA-Lichtkurven, aber ein Korrelationstrend der MAGIC- und Fermi-Lichtkurven. Durch Kombination von MAGIC- und Fermi-Daten konnte der vollständige Hochenergie- Peak des Energiespektrums für verschiedene Zeiträume und Flusswerte erstellt werden. Das kombinierte Fermi-MAGIC-Spektrum wurde mit einem Potenzgesetz mit exponentiellem Abfall beschrieben. Demzufolge verschob sich im untersuchten Zeitraum die Cutoff- Energie für höhere Flusswerte zu höheren Energien, was einem härteren Energiespektrum entspricht.