Gamma-ray astronomy

Abstract:

Gamma-Ray Bursts (GRBs) are brief flashes of gamma-rays that last from a fraction of second up to a few hundreds of seconds, during which a significant amount of isotropic equivalent energy is released (ranging from 10^48 to 10^54 erg). These explosive transients are associated with the catastrophic explosion of an isolated massive star (long-duration GRBs), or with the merger of compact objects (short-duration GRBs). Both scenarios lead to the formation of a highly magnetised neutron star or a spinning, stellar-mass black hole, which are thought to accrete material and launch two relativistic jets, causing the observed gamma-ray emission via magnetic processes or internal shocks. These jets interact with the surrounding material, producing the afterglow emission that extends from gamma-rays to radio waves. To understand GRB formation and evolution, a standard model involving an ultra-relativistic outflow is commonly employed. However, even sophisticated models face degeneracy in the multi-dimensional parameter space. To alleviate or possibly break the degeneracy, broad-band observations across the electromagnetic spectrum are crucial. In particular, the Very Long Baseline Interferometry technique (VLBI) has proven to be a unique asset, providing direct evidence of apparent superluminal expansion (for on-axis GRBs), centroid displacement of the outflow (for slightly off-axis GRBs) and the first confirmation that merger events can launch successful jets. In this Thesis, we employed radio and VLBI observations to characterise and constrain the outflow, the circum-burst medium, and the properties of the progenitors of GRBs. This included studies on individual events (GRB201015A and GRB221009A), which are important to test the predictions of current models, GRB host galaxies (GRB200716C), which are fundamental to constrain the nature of the progenitor through the characterisation of the surrounding environment, and the statistical properties of GRB afterglows, in order to verify the existence of potential GRB sub-populations

Abstract:

Axion-like particles (ALPs) are well-motivated extensions of the Standard Model of Particle Physics and a generic prediction of some string theories. X-ray observations of bright active galactic nuclei (AGNs) hosted by rich clusters of galaxies are excellent probes of very-light ALPs, with masses $\mathrm{log}({m}_{{\rm{a}}}/\mathrm{eV})\lt -12.0$ . We evaluate the potential of future X-ray observatories, particularly Athena and the proposed AXIS, to constrain ALPs via observations of cluster-hosted AGNs, taking NGC 1275 in the Perseus cluster as our exemplar. Assuming perfect knowledge of the instrument calibration, we show that a modest exposure (200 ks) of NGC 1275 by Athena permits us to exclude all photon–ALP couplings g _a _γ > 6.3 × 10 ^−14 GeV ^−1 at the 95% confidence level, as previously shown by Conlon et al., representing a factor of 10 improvement over current limits. We then proceed to assess the impact of realistic calibration uncertainties on the Athena projection by applying a standard Cash likelihood procedure, showing the projected constraints on g _a _γ weaken by a factor of 10 (back to the current most sensitive constraints). However, we show how the use of a deep neural network can disentangle the energy-dependent features induced by instrumental miscalibration and those induced by photon–ALP mixing, allowing us to recover most of the sensitivity to the ALP physics. In our explicit demonstration, the machine learning applied allows us to exclude g _a _γ > 2.0 × 10 ^−13 GeV ^−1 , complementing the projected constraints of next-generation ALP dark matter birefringent cavity searches for very-light ALPs. Finally, we show that a 200 ks AXIS/on-axis observation of NGC 1275 will tighten the current best constraints on very-light ALPs by a factor of 3

Abstract:

Der universitäre Beitrag zum Aufbau der Large Size Telescopes (LSTs) als Bestandteil des Cherenkov Telescope Arrays wird im Verbund mit den beteiligten Max-Planck Instituten und DESY-Zeuthen im Rahmen der internationalen Kooperation geleistet. Die Förderung im Rahmen von ErUM zum Thema Universum ermöglicht den universitären Partnern somit den Zugang zu Großgeräten der Astroteilchenphysik. In dem hier geförderten Teilprojekt an der Universität Hamburg wird der Aufbau und Optimierung von Komponenten und Methoden für die ersten vier LSTs am Standort La Palma gefördert. Mit den bereitgestellten Förderungsmitteln konnten nach der Unterbrechung der Förderung zwischen 2017 und 2020 die Arbeiten zur Kalibration der Instrumente wieder aufgenommen und intensiviert werden. Neben der Projektleitung hat Dr. Martin Tluczykont und Ali Baktash (Promotion) mit Unterstützung von studentischen Hilfskräften den wissenschaftlichen Teil der Arbeiten ausgeführt. Weiterhin haben Mitarbeiter und Mitarbeiterinnen der mechanischen Werkstatt die Anfertigung von Aktuatoren für die Spiegelhalterung übernommen. Der Schwerpunkt der Arbeiten lagen in der Entwicklung von einer Methode, um anhand von zwei CCD-Kameras die Ausrichtung der optischen Achsen des Cherenkovteleskops und die relative Position der Cherenkovkamera in Himmelskoordinaten zu kontrollieren. Ein weiterer wissenschaftlicher Beitrag ist das EASpy-Paket, mit dem sich Luftschauer auch bei sehr großen Zenitwinkeln verlässlich und schnell simulieren lassen. Im Gegensatz zu herkömmlichen Simulationsprogrammen können so Beobachtungen bei großen Zenitwinkeln mit verschiedenen Konfigurationen der Teleskope simuliert und die resultierende Empfindlichkeit absgechätzt und optimiert werden. Weiterhin ist es auch möglich, den Beitrag von Fluoreszenzlicht zu berechnen. Diese Option ist mit den bisherigen Werkzeugen nicht möglich. Weiterhin können die Leistungsfähigkeit von verschiedenen Teleskopen und Konfigurationen direkt miteinander verglichen werden (Gesichtsfeld, Granularität der Kamera, Größe des Spiegels, Anordnung von mehreren Teleskopen). Die Simulationen konnten direkt mit Beobachtungen mit dem sehr großen H.E.S.S.-Teleskop in Namibia verglichen werden. Die Optimierung der Kalibrationsmethoden für die Ausrichtung der Teleskope ist wegweisend für die Anordnung der CCD-Kameras der weiteren LSTs. Datei-Upload durch TI