Pulsar analyses with the MAGIC experiment
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Date
2024
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Abstract
Pulsars are fast-rotating neutron stars that emit pulsed electromagnetic radiation. In particular, the discovery of pulses with energies above 100 GeV raises new questions about the underlying emission mechanisms. So far, only three pulsars in this energy regime are known. The MAGIC telescopes are sensitive from approximately 50 GeV, but can lower their enery threshold down to 20 GeV with optimized trigger criteria (the Sum-Trigger-II) and thus become suitable instruments for the observation of high-energy pulsars. In this work, the Crab and Dragonfly Pulsars are studied. Due to the large amount of data recorded over more than ten years, the analysis is automated. The basis for this is autoMAGIC, a database-supported tool that enables reproducible analyses with minimal human interaction. The special requirements of pulsar analyses are implemented in autoMAGIC and a standardized dataset for the subsequent production of physical results is generated.
In recent years, great efforts have been made in gamma astronomy to standardize the data across different telescopes and to analyze them using unified software. In this context, the open-source project Gammapy was developed. As part of this work, the Python package magicpulsar was developed, which computes the pulsar timing and large parts of the Gammapy analysis based on the standardized dataset from autoMAGIC. The Crab Pulsar is clearly detected based on ∼480 h observation time with 15.47 𝜎 for peak P1, 24.30 𝜎 for peak P2, and 8.85 𝜎 for the bridge. The energy spectra for these peaks and other physically interesting phase ranges are generated and agree with the Fermi-LAT results. A decreasing P1/P2 ratio between ∼20 GeV and ∼800 GeV is observed. The analysis of 27 h of Dragonfly data delivers no pulsed signal.
Pulsare sind schnell rotierende Neutronensterne, die gepulste, elektromagnetische Strahlung aussenden. Insbesondere die Entdeckung von Pulsen mit Energien von über 100 GeV wirft neue Fragen zu den zugrundeliegenden Emissionsmechanismen auf. Bisher sind nur drei Pulsare in diesem Energiebereich bekannt. Die MAGIC Teleskope sind ab etwa 50 GeV sensitiv, können ihre Energiegrenze jedoch mit optimierten Triggerkriterien (dem Sum-Trigger-II) bis auf 20 GeV senken und werden somit geeignete Messinstrumente für hochenergetische Pulsare. In dieser Arbeit werden der Krebs- und der Dragonflypulsar studiert. Aufgrund der großen Datenmengen, aufgenommen über mehr als zehn Jahre, wird die Analyse automatisiert. Grundlage dafür ist autoMAGIC, ein datenbankgestütztes Werkzeug, das reproduzierbare Analysen mit minimaler menschlicher Interaktion ermöglicht. Die speziellen Anforderungen einer Pulsaranalyse werden in autoMAGIC implementiert und somit ein standardisierter Datensatz zur anschließenden Produktion physikalischer Ergebnisse erzeugt. In den letzten Jahren wurden in der Gammaastronomie große Anstrengungen unternommen, um die Daten verschiedener Teleskope zu standardisieren und anschließend mit der gleichen Software zu analysieren. In diesem Rahmen ist das Open-Source-Projekt Gammapy entstanden. Im Rahmen dieser Arbeit wurde das Python-Paket magicpulsar entwickelt, das das Pulsar-Timing und große Teile der Gammapy Analyse basierend auf dem standardisierten Datensatz aus autoMAGIC übernimmt. Der Krebspulsar wird basierend auf ∼480 h Messzeit mit 15,47 𝜎 für den Peak P1, 24,30 𝜎 für den Peak P2 und 8,85 𝜎 für die Bridge klar detektiert. Außerdem werden die Energiespektren für diese Peaks und weitere physikalisch interessante Phasenbereiche erstellt. Dabei wird ein abnehmendes P1/P2-Verhältnis zwischen ∼20 GeV und ∼800 GeV festgestellt. Das gepulste Signal von Dragonfly kann basierend auf 27 h Messzeit nicht mit MAGIC detektiert werden.
Pulsare sind schnell rotierende Neutronensterne, die gepulste, elektromagnetische Strahlung aussenden. Insbesondere die Entdeckung von Pulsen mit Energien von über 100 GeV wirft neue Fragen zu den zugrundeliegenden Emissionsmechanismen auf. Bisher sind nur drei Pulsare in diesem Energiebereich bekannt. Die MAGIC Teleskope sind ab etwa 50 GeV sensitiv, können ihre Energiegrenze jedoch mit optimierten Triggerkriterien (dem Sum-Trigger-II) bis auf 20 GeV senken und werden somit geeignete Messinstrumente für hochenergetische Pulsare. In dieser Arbeit werden der Krebs- und der Dragonflypulsar studiert. Aufgrund der großen Datenmengen, aufgenommen über mehr als zehn Jahre, wird die Analyse automatisiert. Grundlage dafür ist autoMAGIC, ein datenbankgestütztes Werkzeug, das reproduzierbare Analysen mit minimaler menschlicher Interaktion ermöglicht. Die speziellen Anforderungen einer Pulsaranalyse werden in autoMAGIC implementiert und somit ein standardisierter Datensatz zur anschließenden Produktion physikalischer Ergebnisse erzeugt. In den letzten Jahren wurden in der Gammaastronomie große Anstrengungen unternommen, um die Daten verschiedener Teleskope zu standardisieren und anschließend mit der gleichen Software zu analysieren. In diesem Rahmen ist das Open-Source-Projekt Gammapy entstanden. Im Rahmen dieser Arbeit wurde das Python-Paket magicpulsar entwickelt, das das Pulsar-Timing und große Teile der Gammapy Analyse basierend auf dem standardisierten Datensatz aus autoMAGIC übernimmt. Der Krebspulsar wird basierend auf ∼480 h Messzeit mit 15,47 𝜎 für den Peak P1, 24,30 𝜎 für den Peak P2 und 8,85 𝜎 für die Bridge klar detektiert. Außerdem werden die Energiespektren für diese Peaks und weitere physikalisch interessante Phasenbereiche erstellt. Dabei wird ein abnehmendes P1/P2-Verhältnis zwischen ∼20 GeV und ∼800 GeV festgestellt. Das gepulste Signal von Dragonfly kann basierend auf 27 h Messzeit nicht mit MAGIC detektiert werden.
Description
Table of contents
Keywords
Pulsar, Gamma astronomy, Crap Pulsar, MAGIC Telescopes