Gamma-Rays and Multi-Messenger Signatures from Transient Phenomena

Abstract

El cosmos està poblat per objectes astrofísics que poden patir fenòmens astrofísics transitoris una vegada en la vida. En els casos més dramàtics, l'objecte implicat pot exhibir lluminositats que superen el que el nostre Sol proper produeix durant tota la seva vida, en períodes de temps de segons. Els observatoris que detecten diversos missatgers còsmics, com els neutrins i les ones gravitacionals (GW), han obert noves possibilitats per estudiar aquests esdeveniments transitoris en el marc de l'astronomia Multi-Messenger (MM). L'objectiu de la investigació realitzada en aquesta tesi és aprofitar fluxos de dades oberts i mètodes computacionals per tal de facilitar la co-detecció de missatgers còsmics. Quan s'enfronten a l'enfocament MM, els sistemes de telescopi atmosfèric Cerenkov d'imatge terrestre s'enfronten a certs obstacles. Treballant en una estratègia factible per al seguiment de les alertes de MM amb el Telescopi Cherenkov d'Imatge de Raigs Gamma Atmosfèric (MAGIC) i el primer Telescopi de Mida Gran (LST-1) desplegat, vaig adoptar/elaborar un conjunt de metodologies que van permetre implementar estratègies a mida per a l'instrument genèric de camp de visió petit. L'algoritme subjacent va culminar amb un programari de codi obert (ToOpy) i permet executar observacions de seguiment crítiques en el temps sobre activadors d'alertes de neutrins, GW i Gamma-Ray Burst (GRB). Mitjançant ToOpy, es va accedir a fluxos de dades en temps real i d'arxiu d'observatoris com IceCube, Fermi i LIGO-Virgo per tal d'aïllar possibles co-deteccions de diversos missatgers. La proposta de ToOpy com a valuosa per a aquesta tasca es va validar recuperant les coincidències espai-temporals de les dues grans pedres angulars de l'astronomia MM, és a dir, TXS0506+056/IC-170922A així com GRB170817A/GW170817. En aquesta línia, ToOpy va desencadenar observacions de seguiment d'una alerta IceCube TRACK tant pel telescopi MAGIC com pel telescopi LST-1 el març del 2021, però no es va registrar cap emissió gamma d'energia molt alta. A més, ToOpy va permetre elaborar un catàleg de galàxies hostes que serveixen com a potencials homòlegs electromagnètics a les alertes CASCADE emeses per IceCube. Finalment, explorant amplis catàlegs d'esdeveniments GW, així com les dades d'activació GRB de Fermi-GBM, es van detectar quatre coincidències espai-temporals sense precedents. Tot i que un enfocament d'arrencada redueix la importància d'aquestes noves associacions, un estudi posterior amb les dades de Fermi-LAT mostra una pista interessant per a una erupció de raigs gamma d'alta energia no repetida (en 10 anys) des de la regió d'incertesa combinada del GRB. i errors de localització de GW. D'una altra manera, en el context d'un estudi de longitud d'ona múltiple (MWL), explico els meus esforços per estudiar el blazar TeV flamant VER J0521+211, que va ser observat pels telescopis MAGIC i altres instruments durant la primavera de 2020. Aprofitar-hi una àmplia cobertura MWL va permetre modelar la distribució d'energia espectral de banda ampla mitjançant l'adopció de paràmetres d'evolució temporal per als mecanismes d'emissió leptònica i leptohadrònica. Al costat d'aquests resultats, els espectres de raigs gamma combinats de MAGIC i Fermi-LAT van permetre restringir el desconegut desplaçament cap al vermell d'aquest blazar en particular a un rang de 0,18 < z < 0,243.

El cosmos está poblado por objetos astrofísicos que pueden sufrir fenómenos astrofísicos transitorios únicos en la vida. En los casos más dramáticos, el objeto involucrado puede exhibir luminosidades que superan lo que produce nuestro Sol cercano durante toda su vida, en lapsos de tiempo de segundos. Los observatorios que detectan varios mensajeros cósmicos, como los neutrinos y las Ondas Gravitacionales (GW), han abierto nuevas posibilidades para estudiar estos eventos transitorios en el marco de la astronomía Multi-Messenger (MM). El objetivo de la investigación realizada en esta disertación es aprovechar flujos de datos abiertos y métodos computacionales para facilitar la co-detección de mensajeros cósmicos. Cuando se enfrentan al enfoque MM, los sistemas del Telescopio Cerenkov de Imágenes Atmosféricas basados en tierra enfrentan ciertos obstáculos. Trabajando en una estrategia factible para el seguimiento de alertas de MM con el Telescopio Cherenkov de Imágenes de Rayos Gamma Atmosféricos Principales (MAGIC) y el primer Telescopio de Gran Tamaño desplegado (LST-1), adopté/elaboré un conjunto de metodologías que permitieron implementar estrategias adaptadas para el instrumento genérico de campo de visión pequeño. El algoritmo subyacente culminó en un software de código abierto (ToOpy) y permite ejecutar observaciones de seguimiento de tiempo crítico en disparadores de alertas de neutrinos, GW y Gamma-Ray Burst (GRB). Usando ToOpy, se accedió a flujos de datos de archivo y en tiempo real de observatorios como IceCube, Fermi y LIGO-Virgo para aislar posibles detecciones conjuntas de múltiples mensajeros. La propuesta de que ToOpy sea valiosa para esta tarea se validó recuperando las coincidencias espacio-temporales de los dos pilares principales de la astronomía MM, a saber, TXS0506+056/IC-170922A y GRB170817A/GW170817. En este sentido, ToOpy activó observaciones de seguimiento de una alerta IceCube TRACK por parte de los telescopios MAGIC y LST-1 en marzo de 2021, pero no se registró un exceso de emisión gamma de muy alta energía. Además, ToOpy permitió elaborar un catálogo de galaxias anfitrionas que sirven como posibles contrapartes electromagnéticas de las alertas CASCADE emitidas por IceCube. Finalmente, al investigar extensos catálogos de eventos de GW, así como datos de activación de GRB de Fermi-GBM, se detectaron cuatro coincidencias espacio-temporales sin precedentes. Si bien un enfoque de arranque reduce la importancia de estas asociaciones novedosas, un estudio adicional con datos de Fermi-LAT muestra una pista interesante para un destello de rayos gamma de alta energía no repetido (en una base de 10 años) desde dentro de la región de incertidumbre combinada del GRB y errores de localización de GW. En una nota diferente, en el contexto de un estudio de longitud de onda múltiple (MWL), expongo mis esfuerzos para estudiar el blazar de TeV en llamas VER J0521+211, que fue observado por los telescopios MAGIC y otros instrumentos durante la primavera de 2020. Aprovechar allí la amplia cobertura de MWL permitió modelar la distribución de energía espectral de banda ancha mediante la adopción de parámetros de evolución temporal para los mecanismos de emisión leptónicos y leptohadrónicos. Junto con estos resultados, los espectros de rayos gamma combinados de MAGIC y Fermi-LAT permitieron restringir el corrimiento al rojo desconocido para este blazar en particular a un rango de 0.18 < z < 0.243.

The cosmos is populated by astrophysical objects that can undergo once-in-a-lifetime transient astrophysical phenomena. In the most dramatic cases, the involved object can exhibit luminosities that surpass what our nearby Sun produces over its entire lifetime, in time spans of seconds. Observatories that detect various cosmic messengers, such as neutrinos and Gravitational Waves (GW), have opened up new possibilities to study these transient events in the framework of Multi-Messenger (MM) astronomy. The aim of the research conducted in this dissertation is to leverage open data streams and computational methods in order to facilitate the co-detection of cosmic messengers. When confronted with the MM approach, ground-based Imaging Atmospheric Cerenkov Telescope systems face certain obstacles. Working on a feasible strategy for the follow-up of MM alerts with the Major Atmospheric Gamma-ray Imaging Cherenkov Telescope (MAGIC) and the first deployed Large-Sized Telescope (LST-1), I adopted/elaborated a set of methodologies that allowed to implement tailored strategies for the generic small field of view instrument. The underlying algorithm culminated in an open-source software (ToOpy) and allows to execute time-critical follow-up observations on triggers from neutrino, GW, and Gamma-Ray Burst (GRB) alerts. Using ToOpy, real-time and archival data streams from observatories such as IceCube, Fermi, and LIGO-Virgo were accessed in order to isolate potential co-detections of multiple messengers. The proposal of ToOpy being valuable for this task was validated by recovering the spatio-temporal coincidences of the two major cornerstones of MM astronomy, namely TXS0506+056/IC-170922A as well as GRB170817A/GW170817. Along this line, ToOpy triggered follow-up observations of an IceCube TRACK alert by both the MAGIC and the LST-1 telescopes in March of 2021, but no excess very-high-energy gamma emission was recorded. Furthermore, ToOpy allowed to elaborate a catalog of host galaxies that serve as potential electromagnetic counterparts to CASCADE alerts issued by IceCube. Finally, digging through extensive GW event catalogs as well as GRB trigger data from Fermi-GBM, four unprecedented spatio-temporal coincidences were detected. While a bootstrapped approach lowers the significance of these novel associations, further study with Fermi-LAT data shows an interesting hint for an unrepeated (on a 10-year basis) high-energy gamma-ray flare from within the combined uncertainty region of the GRB and GW localization errors. On a different note, in the context of a Multi-Wavelength (MWL) study, I elaborate on my e&#8629;orts to study the flaring TeV blazar VER J0521+211, which was observed by the MAGIC telescopes and other instruments during the spring of 2020. Leveraging therein extensive MWL coverage allowed to model the broadband spectral energy distribution by adopting time-evolving parameters for leptonic and leptohadronic emission mechanisms. Alongside these results, the combined gamma-ray spectra from MAGIC and Fermi-LAT allowed to constrain the unknown redshift for this particular blazar to a range of 0.18 < z < 0.243.