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Effects of EBL extinction on the VHE spectra of blazars

Behera, Bagmeet

German Title: Auswirkungen der EBL Auslöschung auf VHE-Spektren von Blasaren

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Abstract

Active Galactic Nuclei (AGN) are the most powerful steady sources of electromagnetic radiation in the cosmos. Blazars are AGN with their jets pointing straight at us, giving us the opportunity to probe deep into the core which generates this tremendous luminosity. The Very High Energy (VHE; E>100 GeV) photons from blazars while travelling through the intergalactic medium, interact with the low energy photons (in the UV-IR range) constituting the Extragalactic Background Light (EBL), by producing e-e+ pairs, and get absorbed. More than 25 nearby blazars (z<0.3) have been detected in VHE, but due to EBL extinction it is extremely difficult to detect distant sources. This phenomena gives us the means to measure the EBL level which cannot be directly measured. In this thesis the effects of EBL absorption on the spectra of blazars is studied. Two methods to discover distant VHE blazars were explored. The observations with HESS led to the detection of the blazar PKS 1510-089 at z=0.36, at a 4.8 sigma level. A cross check analysis with a more advanced analysis tool confirmed this detection at a 8.5 sigma level. The GeV spectrum obtained by analyzing Fermi GST data, was adopted as the intrinsic source spectrum. Models for the gamma-ray spectrum including the EBL absorption was fitted to the gamma-ray data and it was shown that all the 4 current EBL models considered here, fit the data well. It is concluded that this is due to the sensitivity limits of the current VHE instruments. Stronger constraints on the EBL would only be possible for sources with much harder spectrum. The outlook for future experiments is discussed. EBL extinction causes bias in the sample of detected blazars. MonteCarlo simulations were used to generate parent samples for the VHE blazars. These were compared to the true VHE blazar sample and constraints on the parent sample properties were drawn. The lack of a spectral softening with z in the true VHE sample, is found consistent with a parent sample that clearly shows this softening, making it unnecessary to assume any special dependence of the intrinsic spectral index on z. The dependence of the evolution of the EBL on the cosmological model considered, was explored. The uncertainty in cosmology was found to be negligible compared to the uncertainty on the EBL. The dependence of the extinction on the error in the EBL models as well as the effect of neglecting the EBL evolution with z was illustrated.

Translation of abstract (German)

Aktive Galaktisch Kerne (active galactic nuclei, AGN) sind die leistungsstärksten dauerhaft emittierenden Quellen elektromagnetischer Strahlung im Kosmos. Blazare sind AGNs deren Jets direkt auf uns zeigen, ermöglichen uns, mit unseren Untersuchungen tief in den Kern, der diese gewaltige Leuchtkraft erzugt, vorzudringen. Die emittierten hochenergetischen Photonen aus dem VHE-Regime (very high energy, VHE; E>100 GEV) wechelswirken bei ihrer Reise duch das interstellare Medium mit niederenergetischen (im Bereich UV – IR) Photonen , die den extragalaktischen Hintergrund (extragalactic background light, EBL) bilden. Debei erzeigen Sie e-e+ Paare, und werden absorbiert. Mehr als 25 nahe Blazare (z<0.3) wurden im VHE-Regime detektiert, aber wegen der EBL-Extinktion ist die Detektion weit entfernter Quellen extrem schwierig. Dieses Phänomen gibt uns die Möglichkeit, die Intensität des EBL zu messen, was auf direktem Wege nicht möglich ist. In dieser Arbeit werden die Auswirkungen der EBL Absorption auf die Spektren von Blazaren untersucht. Zwei Methoden zum Entdecken ferner Balzare wurden erforscht. Die Beobachtungen mit HESS führten zum Nachweis des Blazars PKS 1510-089 mit z=0.36 und einer Konfidenzlevel von 4.8 sigma. Die Gegenprobe mit einer ausgefeilteren Analysemethode bestätigte die Detektion mit einem Level von 8.5 sigma. Für das intrinsische Spektrum der Quelle wurde das mit einer Analyse von Fermi GST Daten gewonnene GeV-Spektrum angenommen. Modelle für das Gammastrahlenspektrum inklusive der EBL Absorption wurden an die Daten gefittet und es wird gezeigt, daß alle vier EBL Modelle, die hier berücksichtigt wurden, gut zu den Daten passen. Es wird geschlossen, daß dies in der limitierten Empfindlichkeit der gegenwärtigen VHE Instrumente begründet ist. Strengere Bedingungen könnte man nur von Quellen mit viel härterem Spektrum ableiten. Die Aussichten für zukünftige Experimente werden diskutiert. EBL Extinktion verfälscht die Auswahl der gefundenen Blazare. Mögliche Elternverteilungen der VHE Blazare wurden mit Monte Carlo Simulationen generiert; diese wurden mit den echten Blazaren verglichen und daraus Rückschlüsse auf die Eigenschaften der echten Verteilung gezogen. Das Fehlen von spektralem weicher werden mit z zeigt sich konsistent mit einer Elternverteilung die dieses weicher werden deutlich zeigt; es ist nicht nötig, eine spezielle Abhängigkeit des intrischen spektralen Index von z anzunehmen. Weiterhin wurde die Abhängigkeit der Entwicklung des EBL vom kosmologischen Modell untersucht. Es stellte sich heraus, daß im Vergleich zur Unsicherheit des EBL die des kosmologischen Modells vernachlässigt werden kann. Die Auswirkungen der Extinktion auf den Fehler in den EBL Modellen so wie der Effekt durch das Nichtberücksichtigen der Entwicklung des EBL mit z werden illustriert.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Wagner, Prof. Dr. Stefan J.
Date of thesis defense: 9. February 2010
Date Deposited: 19. Feb 2010 13:40
Date: 2010
Faculties / Institutes: Service facilities > Zentrum für Astronomie der Universität Heidelberg (ZAH) > ZAH: Landessternwarte
Subjects: 520 Astronomy and allied sciences
Uncontrolled Keywords: extragalactic background light , very high energy , gamma-ray , blazar
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