Radio follow-up of the gamma-ray flaring gravitational lens B0218+357

B0218+357 è un blazar soggetto al lensing che si trova a z=0.944. Questo sistema consiste in due componenti compatte (A e B) e un anello di Einstein. Recentemente è stato associato ad una sorgente gamma soggetta a burst osservata con il satellite Fermi-LAT. Questo blazar ha mostrato una forte variabilità in banda γ da agosto a settembre del 2012. Gli episodi di variabilità osservati hanno consentito di misurare per la prima volta in banda gamma il ritardo temporale previsto dalla teoria del lensing gravitazionale. Le osservazioni in banda gamma sono state seguite da un programma di monitoring con il Very Long Baseline Array (VLBA) in banda radio con lo scopo di verificare l’esistenza di una correlazione tra l’emissione nelle due bande. In questa Tesi tali osservazioni radio sono state analizzate con lo scopo di studiare la variabilità di B0218+357 e, quindi, attestare la connessione tra l’emissione alle alte energie e quella in banda radio. L’obiettivo principale di questo lavoro di Tesi è quello di studiare l’evoluzione della densità di flusso, dell’indice spettrale e della morfologia delle immagini A e B e delle loro sottocomponenti. I dati analizzati sono stati ottenuti con l’interferometro VLBA a tre frequenze di osser- vazione: 2.3, 8.4 GHz (4 epoche con osservazioni simultanee alle due frequenze) e 22 GHz (16 epoche). Le osservazioni hanno coperto un periodo di circa due mesi, subito successivo al flare in banda gamma. La riduzione dei dati è stata effettuata con il pacchetto AIPS. Dall’analisi delle immagini, nella componente B è possibile riconoscere la tipica struttura nucleo-getto chiaramente a tutte e tre le frequenze, invece nella componente A questa struttura è identificabile solo a 22 GHz. A 2.3 e 8.4 GHz la risoluzione non è sufficiente a risolvere nucleo e getto della componente A e l’emissione diffusa risulta dominante. Utilizzando il metodo dello stacking sulle immagini a 2.3 GHz, è stato possibile rivelare le parti più brillanti dell’Einstein ring associato a questa sorgente. Questo è stato possibile poiché la sorgente non ha mostrato alcun segno di variabilità significativa né di struttura né di flusso nelle componenti. Quindi dall’analisi delle curve di luce delle due componenti A e B non è emersa una variabilità significativa chiaramente associabile al flare osservato in banda gamma. Per verificare questo risultato, le curve di luce ottenute sono state confrontate con le osservazioni del radio telescopio OVRO (15 GHz) nel periodo corrispondente alle nostre osservazioni. La curva di luce OVRO è risultata in pieno accordo con le curve di luce ottenute durante questo lavoro di tesi e ha confermato che B0218+257 non ha mostrato un’importante attività radio nel periodo delle osservazioni VLBA. In definitiva, la mancanza di variabilità radio associata a quella osservata nei raggi gamma può essere dovuta al fatto che la regione in cui si è originato il flare gamma è otticamente spessa alle lunghezze d’onda radio, oppure non esiste una precisa correlazione tra le due emissioni, rimanendo quindi un problema aperto da investigare.

Characterisation and optimisation of the new Prompt Gamma-ray Activation Analysis (PGAA) facility at FRM II

At the research reactor Forschungs-Neutronenquelle Heinz Maier-Leibnitz (FRM II) a new Prompt Gamma-ray Activation Analysis (PGAA) facility was installed. The instrument was originally built and operating at the spallation source at the Paul Scherrer Institute in Switzerland. After a careful re-design in 2004–2006, the new PGAA instrument was ready for operation at FRM II. In this paper the main characteristics and the current operation conditions of the facility are described. The neutron flux at the sample position can reach up 6.07×1010 [cm−2 s−1], thus the optimisation of some parameters, e.g. the beam background, was necessary in order to achieve a satisfactory analytical sensitivity for routine measurements. Once the optimal conditions were reached, detection limits and sensitivities for some elements, like for example H, B, C, Si, or Pb, were calculated and compared with other PGAA facilities. A standard reference material was also measured in order to show the reliability of the analysis under different conditions at this instrument.

Measuring energy spectra of TeV gamma-ray emission from the Cygnus region of our galaxy with Milagro

High energy gamma rays can provide fundamental clues to the origins of cosmic rays. In this thesis, TeV gamma-ray emission from the Cygnus region is studied. Previously the Milagro experiment detected five TeV gamma-ray sources in this region and a significant excess of TeV gamma rays whose origin is still unclear. To better understand the diffuse excess the separation of sources and diffuse emission is studied using the latest and most sensitive data set of the Milagro experiment. In addition, a newly developed technique is applied that allows the energy spectrum of the TeV gamma rays to be reconstructed using Milagro data. No conclusive statement can be made about the spectrum of the diffuse emission from the Cygnus region because of its low significance of 2.2 σ above the background in the studied data sample. The entire Cygnus region emission is best fit with a power law with a spectral index of α=2.40 (68% confidence interval: 1.35-2.92) and a exponential cutoff energy of 31.6 TeV (10.0-251.2 TeV). In the case of a simple power law assumption without a cutoff energy the best fit yields a spectral index of α=2.97 (68% confidence interval: 2.83-3.10). Neither of these best fits are in good agreement with the data. The best spectral fit to the TeV emission from MGRO J2019+37, the brightest source in the Cygnus region, yields a spectral index of α=2.30 (68% confidence interval: 1.40-2.70) with a cutoff energy of 50.1 TeV (68% confidence interval: 17.8-251.2 TeV) and a spectral index of α=2.75 (68% confidence interval: 2.65-2.85) when no exponential cutoff energy is assumed. According to the present analysis, MGRO J2019+37 contributes 25% to the differential flux from the entire Cygnus at 15 TeV.

Calibration of the HAWC Gamma-Ray Observatory

The High-Altitude Water Cherenkov (HAWC) Experiment is a gamma-ray observatory that utilizes water silos as Cherenkov detectors to measure the electromagnetic air showers created by gamma rays. The experiment consists of an array of closely packed water Cherenkov detectors (WCDs), each with four photomultiplier tubes (PMTs). The direction of the gamma ray will be reconstructed using the times when the electromagnetic shower front triggers PMTs in each WCD. To achieve an angular resolution as low as 0.1 degrees, a laser calibration system will be used to measure relative PMT response times. The system will direct 300ps laser pulses into two fiber-optic networks. Each network will use optical fan-outs and switches to direct light to specific WCDs. The first network is used to measure the light transit time out to each pair of detectors, and the second network sends light to each detector, calibrating the response times of the four PMTs within each detector. As the relative PMT response times are dependent on the number of photons in the light pulse, neutral density filters will be used to control the light intensity across five orders of magnitude. This system will run both continuously in a low-rate mode, and in a high-rate mode with many intensity levels. In this thesis, the design of the calibration system and systematic studies verifying its performance are presented.

Natural gamma ray and stable isotope record of ODP Site 181-1119

Ocean Drilling Program Site 1119 is ideally located to intercept discharges of sediment from the mid-latitude glaciers of the New Zealand Southern Alps. The natural gamma ray signal from the site's sediment core contains a history of the South Island mountain ice cap since 3.9 million years ago (Ma). The younger record, to 0.37 Ma, resembles the climatic history of Antarctica as manifested by the Vostok ice core. Beyond, and back to the late Pliocene, the record may serve as a proxy for both mid-latitude and Antarctic polar plateau air temperature. The gamma ray signal, which is atmospheric, also resembles the ocean climate history represented by oxygen isotope time series.