Gamma-ray Flux Measurement between 50 and 350 GeV of the Blazar Mrk 501 with the CELESTE Experiment
Mesure du flux de rayons gamma entre 50 et 350 GeV du blazar Mrk 501 avec l'expérience CELESTE
Résumé
The blazar Mrk 501 has a nonthermal emission spectrum with two components. The first one, located between radio waves and X-rays, is due to the synchrotron emission of the magnetized jet, while the second one, emitted in the high energy gamma-ray domain, is still not fully understood. Until 1999, this last domain had only been covered between 100 MeV and 4 GeV as well as above 300 GeV. This energy gap was filled by the creation of the CELESTE experiment, recording Cherenkov emission produced by gamma-rays between 50 and 350 GeV penetrating the atmosphere. Mrk 501, which has a variable emission, was observed in 2000 and 2001, and was detected in 2000. A flux has been calculated which constrains the high energy emission models, presented in this thesis.
Crab nebula flux measurements validate the method since this source is the standard candle for atmospheric Cherenkov telescopes. Analysis cuts for Mrk 501 are determined using data from the blazar Mrk 421, which has nearly the same declination as Mrk 501. Finally, improved detector simulations were used to calculate the effective area of the instrument, taking the atmosphere quality into account, yielding the flux for Mrk 501 during observations taken between April and June 2000. This flux was compared with a synchrotron self-Compton emission model and with data taken in X-rays. It shows that Mrk 501 was slightly more active during this period compared to the remainder of the year and to the year 2001. A flux upper limit is calculated for the other measurements. This is the first measurement in the energy range 50 - 350 GeV (this range represents the limits in energy for which the trigger rate, that is the convolution between the source spectrum and the effective area of the instrument, is higher than 20 % of the trigger maximum). It helps to constrain the position of the inverse Compton emission maximum and tends to favor, in this particular case, X- and gamma-ray emission processes from two different electron populations (the X-ray variation is weak compared to the gamma-ray one).
Crab nebula flux measurements validate the method since this source is the standard candle for atmospheric Cherenkov telescopes. Analysis cuts for Mrk 501 are determined using data from the blazar Mrk 421, which has nearly the same declination as Mrk 501. Finally, improved detector simulations were used to calculate the effective area of the instrument, taking the atmosphere quality into account, yielding the flux for Mrk 501 during observations taken between April and June 2000. This flux was compared with a synchrotron self-Compton emission model and with data taken in X-rays. It shows that Mrk 501 was slightly more active during this period compared to the remainder of the year and to the year 2001. A flux upper limit is calculated for the other measurements. This is the first measurement in the energy range 50 - 350 GeV (this range represents the limits in energy for which the trigger rate, that is the convolution between the source spectrum and the effective area of the instrument, is higher than 20 % of the trigger maximum). It helps to constrain the position of the inverse Compton emission maximum and tends to favor, in this particular case, X- and gamma-ray emission processes from two different electron populations (the X-ray variation is weak compared to the gamma-ray one).
Le blazar Mrk 501 possède un spectre d'émission non thermique présentant deux composantes. La première, dominant entre le domaine radio et celui des rayons X, correspond à l'émission synchrotron du jet magnétisé, tandis que l'origine de la seconde, dans le domaine gamma de haute énergie, demeure encore sujette à discussion. Jusqu'en 1999, ce dernier domaine d'énergie n'avait été couvert qu'entre 100 MeV et 4 GeV, ainsi qu'au-dessus de 300 GeV. La mise en place de l'expérience CELESTE a comblé la fenêtre d'énergie manquante : observation de l'émission Tcherenkov produite par les rayons gamma d'énergie entre 50 et 350 GeV pénétrant l'atmosphère. Source variable, Mrk 501 a ainsi été observée en 2000 et 2001, détectée en 2000 avec calcul de son flux permettant de contraindre les modèles d'émission à haute énergie.
Cette thèse présente la démarche effectuée jusqu'à la détection de Mrk 501 : dans un premier temps, par la validation de l'analyse utilisée sur des observations de la nébuleuse du Crabe, chandelle standard des télescopes Tcherenkov atmosphériques ; puis la détermination des coupures d'analyse, dépendantes de la région du ciel pointée, à partir d'observations du blazar Mrk 421, de même déclinaison que Mrk 501, dont la forte activité permet une détection claire. Enfin, des simulations, tenant compte de la qualité de l'atmosphère et améliorées pour mieux reproduire le détecteur, ont permis d'établir la surface effective de l'instrument pour en déduire le flux de Mrk 501 entre avril et juin 2000. Ce flux a été comparé avec un modèle d'émission de type synchrotron self-Compton et avec des données prises en rayons X. Elles indiquent que Mrk 501 apparaissait légèrement plus actif durant cette période par rapport au reste de l'année et à l'année 2001. Une limite supérieure au flux est calculée pour l'ensemble des autres mesures. C'est une première mesure dans le domaine d'énergie 50 - 350 GeV (gamme représentant les limites en énergie pour lesquelles le taux de comptage, c'est-à-dire la convolution du spectre de l'astre avec la surface effective de collection de l'instrument, se révèle supérieur à 20 % du maximum de comptage). Elle apporte des contraintes sur la position du maximum d'émission Compton inverse et tend à favoriser, dans ce cas précis, des processus d'émission X et gamma par deux populations d'électrons différentes (la variation dans le domaine X est faible comparée à celle du domaine gamma).
Cette thèse présente la démarche effectuée jusqu'à la détection de Mrk 501 : dans un premier temps, par la validation de l'analyse utilisée sur des observations de la nébuleuse du Crabe, chandelle standard des télescopes Tcherenkov atmosphériques ; puis la détermination des coupures d'analyse, dépendantes de la région du ciel pointée, à partir d'observations du blazar Mrk 421, de même déclinaison que Mrk 501, dont la forte activité permet une détection claire. Enfin, des simulations, tenant compte de la qualité de l'atmosphère et améliorées pour mieux reproduire le détecteur, ont permis d'établir la surface effective de l'instrument pour en déduire le flux de Mrk 501 entre avril et juin 2000. Ce flux a été comparé avec un modèle d'émission de type synchrotron self-Compton et avec des données prises en rayons X. Elles indiquent que Mrk 501 apparaissait légèrement plus actif durant cette période par rapport au reste de l'année et à l'année 2001. Une limite supérieure au flux est calculée pour l'ensemble des autres mesures. C'est une première mesure dans le domaine d'énergie 50 - 350 GeV (gamme représentant les limites en énergie pour lesquelles le taux de comptage, c'est-à-dire la convolution du spectre de l'astre avec la surface effective de collection de l'instrument, se révèle supérieur à 20 % du maximum de comptage). Elle apporte des contraintes sur la position du maximum d'émission Compton inverse et tend à favoriser, dans ce cas précis, des processus d'émission X et gamma par deux populations d'électrons différentes (la variation dans le domaine X est faible comparée à celle du domaine gamma).