Observation of Active Galactic Nuclei in the gamma-ray band using the first telescope of the CTA North

Abstract

Des que la humanitat va contemplar per primera vegada el cel nocturn, la nostra curiositat ha intentat perpètuament revelar els misteris amagats més enllà del dosser celestial d'una extensió fosca i estrellada. Hem desenvolupat i perfeccionat les nostres eines teòriques i d'observació per entendre aquests misteris. L'astronomia observacional, crucial per a la nostra exploració, es pot classificar en funció del tipus de senyals o missatgers utilitzats per observar l'Univers. En els temps moderns, aquesta classificació s'estén més enllà de la radiació electromagnètica tradicional per abastar fenòmens com les ones gravitatòries, els raigs còsmics i les partícules esquives com els neutrins.

Els raigs gamma són un dels missatgers emprats per observar l'Univers no tèrmic. Els fenòmens astrofísics que condueixen a la producció de raigs gamma energètics també són susceptibles de produir raigs còsmics. Tanmateix, a diferència dels raigs còsmics, els raigs gamma no estan subjectes a desviacions en les seves trajectòries causades pels camps magnètics. El CTA és un dels instruments de nova generació que s'estan desplegant per a l'astronomia de raigs gamma, i serà el primer observatori de raigs gamma obert a terra i la matriu de telescopis atmosfèrics Cherenkov d'imatge (IACT) més gran. Amb aquest nou observatori, podrem millorar significativament les capacitats de detecció en comparació amb els actuals instruments terrestres de raigs gamma, inaugurant una nova era de l'astronomia multimissatger.

Una de les fonts astrofísiques importants responsables de la producció de raigs gamma d'alta energia és el nucli galàctic actiu (AGN), que són les regions centrals d'algunes galàxies. Normalment se suposa que allotgen un forat negre súper massiu (SMBH) al seu nucli, que juga el paper crucial del motor d'una física tan extrema. Aquests objectes s'estudien àmpliament en tot l'espectre electromagnètic (EM), proporcionant informació clau sobre la seva morfologia i característiques energètiques. També poden ajudar a estudiar l'evolució de l'Univers, per exemple, donant suport a la mesura indirecta de la Llum de fons extragalàctica (EBL). L'EBL és l'emissió tèrmica neta d'estrelles i galàxies, formant el fons de fotons ambientals a les longituds d'ona òptica i infraroja. Podem entendre la quantitat de l'EBL mesurant la quantitat de flux VHE de fonts com l'AGN, absorbit per la interacció fotó-fotó amb l'EBL.

En aquesta tesi, exploro el primer telescopi de gran mida (LST-1) del CTA i discuteixo la implementació del seu pipeline d'anàlisi de dades mitjançant l'anàlisi dels primers AGN detectats per aquest. He ajudat a desenvolupar el programari d'anàlisi de dades específic de LST-1 cta-lschain per crear dades DL3 "preparades per a la ciència", de manera que es puguin analitzar mitjançant la gammapy de l'eina científica CTA. L'anàlisi dels AGN amb LST-1 ha estat el meu focus principal en aquesta tesi. Per donar suport a l'anàlisi conjunta de les dades LST-1 amb les dades públiques de Fermi-LAT, també vaig desenvolupar un gasoducte gammapy-wrapper, asgardpy. Utilitzant conjunts de dades selectes d'observacions AGN, vaig intentar restringir la densitat d'EBL segons 5 models EBL.

Desde que la humanidad contempló por primera vez el cielo nocturno, nuestra curiosidad ha buscado perpetuamente desvelar los misterios ocultos más allá del dosel celestial de la extensión oscura y estrellada. Desarrollamos y refinamos nuestras herramientas teóricas y de observación para comprender estos misterios. La astronomía observacional, crucial para nuestra exploración, se puede clasificar según el tipo de señales o mensajeros utilizados para observar el Universo. En los tiempos modernos, esta clasificación se extiende más allá de la radiación electromagnética tradicional para abarcar fenómenos como ondas gravitacionales, rayos cósmicos y partículas esquivas como los neutrinos.

Los rayos gamma son uno de los mensajeros empleados para observar el Universo no térmico. Es probable que los fenómenos astrofísicos que conducen a la producción de rayos gamma energéticos también produzcan rayos cósmicos. Sin embargo, a diferencia de los rayos cósmicos, los rayos gamma no están sujetos a desviaciones en sus trayectorias causadas por campos magnéticos. CTA es uno de los instrumentos de próxima generación que se están desplegando para la astronomía de rayos gamma, y será el primer observatorio terrestre abierto de rayos gamma y el mayor conjunto de Telescopios Cherenkov de Imágenes Atmosféricas (IACT). Con este nuevo observatorio, podremos mejorar significativamente las capacidades de detección en comparación con los actuales instrumentos terrestres de rayos gamma, marcando el comienzo de una nueva era de astronomía de múltiples mensajeros.

Una de las fuentes astrofísicas importantes responsables de la producción de rayos gamma de alta energía es el Núcleo Galáctico Activo (AGN), que son las regiones centrales de algunas galaxias. Por lo general, se supone que albergan un agujero negro supermasivo (SMBH) en su núcleo, que desempeña el papel crucial de motor de una física tan extrema. Estos objetos se estudian exhaustivamente en todo el espectro electromagnético (EM), lo que proporciona información clave sobre su morfología y características energéticas. También pueden ayudar a estudiar la evolución del Universo, por ejemplo apoyando la medición indirecta de la Luz de Fondo Extragaláctica (EBL). La EBL es la emisión térmica neta de estrellas y galaxias, que forma el fondo de fotones ambientales en las longitudes de onda óptica e infrarroja. Podemos Comprenda la cantidad de EBL midiendo la cantidad de flujo VHE de fuentes como el AGN, siendo absorbido por la interacción fotón-fotón con la EBL.

En esta tesis, exploro el primer Telescopio de Gran Tamaño (LST-1) del CTA y analizo la implementación de su proceso de análisis de datos mediante el análisis de los primeros AGN detectados por él. He ayudado a desarrollar el software de análisis de datos específico de LST-1, cta-lstchain, para crear datos DL3 "listos para la ciencia", de modo que puedan analizarse utilizando la herramienta científica CTA gammapy. El análisis de los AGN con LST-1 ha sido mi enfoque principal en esta tesis. Para respaldar el análisis conjunto de los datos LST-1 con los datos públicos de Fermi-LAT, también desarrollé un canal de envoltura gammapy, asgardpy. Utilizando conjuntos de datos seleccionados de observaciones AGN, intenté limitar la densidad de EBL según 5 modelos de EBL.

Since humanity first gazed upon the night sky, our curiosity has perpetually sought to unveil the mysteries concealed beyond the celestial canopy of dark, starry expanse. We developed and refined our theoretical and observational tools to understand these mysteries. Observational astronomy, crucial to our exploration, can be categorized based on the type of signals or messengers used for observing the Universe. In modern times, this classification extends beyond traditional electromagnetic radiation to encompass phenomena like gravitational waves, cosmic rays, and elusive particles such as neutrinos.

Gamma rays are one of the messengers employed to observe the non-thermal Universe. The astrophysical phenomena that lead to the production of energetic gamma rays are also likely to produce Cosmic rays. However, in contrast to Cosmic rays, gamma rays are not subject to deviations in their trajectories caused by magnetic fields. CTA is one of the next-generation instruments being deployed for gamma-ray astronomy, and it will be the first open ground-based gamma-ray observatory and the largest Imaging Atmospheric Cherenkov Telescope (IACT) array. With this new observatory, we will be able to significantly enhance the detection capabilities compared to the current ground-based gamma-ray instruments, ushering in a new era of multi-messenger astronomy.

One of the important astrophysical sources responsible for the production of high-energy gamma rays is the Active Galactic Nucleus (AGN), which are the central regions of some galaxies. They are usually assumed to host a Super Massive Black Hole (SMBH) at their core, which plays the crucial role of the engine of such extreme physics. These objects are studied extensively in the full Electromagnetic (EM) spectrum, providing key insights into their morphology and energetic characteristics. They also can help study the evolution of the Universe, for example by supporting the indirect measurement of the Extragalactic Background Light (EBL). The EBL is the net thermal emission from stars and galaxies, forming the ambient photon background in the optical and infrared wavelengths. We can understand the amount of the EBL by measuring the amount of VHE flux of sources like the AGN, being absorbed by the photon-photon interaction with the EBL.

In this thesis, I explore the first Large-Sized Telescope (LST-1) of the CTA and discuss the implementation of its data analysis pipeline by analysing the first AGNs detected by it. I have helped develop the LST-1-specific data analysis software cta-lstchain to create "science-ready" DL3 data, such that it can be analyzed using the CTA Science Tool gammapy. Analyzing the AGNs with LST-1 has been my main focus in this thesis. To support joint analysis of LST-1 data with the public Fermi-LAT data, I also developed a gammapy-wrapper pipeline, asgardpy. Using select datasets of AGN observations, I tried to constrain the EBL density as per 5 EBL models.