Optical follow-up of high energy neutrinos detected by the ANTARES telescope D. Dornic (CPPM) M....
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Optical follow-up of high energy neutrinos detected by the ANTARES telescope
D. Dornic (CPPM)
M. Ageron (CPPM), S. Basa (LAM), V. Bertin (CPPM), J. Busto (CPPM), F. Schussler (IRFU), B. Vallage (IRFU)M. Boer (Nice), A. Klotz (IRAP), A. Le Van Suu (OHP)
D. Dornic – Reunion PCHE – Toulouse Sept 2012
Projet TAToO (2009)
ν
ANTARES
Reconstruction “on-line” (<10ms)Trigger: multiplet / HE singlet Alerte neutrino (GCN)
Temps réel Envoi <10s
1.9° x 1.9°
Couverture du ciel (>2π sr) + grand cycle utileTrès bonne sensibilité (1 neutrino peut faire une découverte !!!)Pas d’hypothèse sur la nature de la sourceNon dépendant disponibilité de trigger externe
Avantages:
D. Dornic – Reunion PCHE – Toulouse Sept 2012
MotivationGRB neutrinos: Jets relativistes avec des variations (Modèle du Fireball)
Meszaros & Rees, Waxman
SN neutrinos: connexion GRB-SN (chocked jet, midly relativistic) Razzaque & al,, Ando & Beacom
D. Dornic – Rencontres de Moriond 2009
Motivation
Pour que l’expérience marche, il faut:
1)Une très bonne résolution angulaire
- Recherches de contre-parties optiques facilitées (exemple: GRB avec BATSE et BeppoSax)
- Plus grand nombre de télescopes accessibles
1)Rapidité d’envoi des alertes
- Indispensable pour la recherche de sources transitoires rapides (GRB)
Points critiques
D. Dornic – Reunion PCHE – Toulouse Sept 2012
2°x2° correspond à …
M104
Sélection des neutrinos:
Spécification: 2 alertes par mois (0.04/yr + 12/yr + 12/yr)
Coïncidence de 2 ou plus événements en 15 min et dans 3° x 3°
Un événement de haute énergie (E>5-10TeV)
Un événement en coïncidence avec la direction d’une galaxie locale (< 20 Mpc) dans 0.33°
Alertes neutrino
Direction validée par 2 reconstructions indépendantes
(erreur < 0.5°)
GWGC catalogue, d < 20Mpc
D. Dornic – Reunion PCHE – Toulouse Sept 2012
Performance temporelle:
Alertes neutrino: performances
Précision angulaire:
- Reconstruction on-line+ trigger: ~3-5 s- Envoi d’alerte: ~1-10 s suivant la réponse des télescopes- Pointé des télescopes: ~1-5 s
Délai minimum entre la 1ère image et le neutrino: ~15-20 s
1.9°
1.9°
PSF trigger HE
TriggerAngular
resolutionFraction events
in fovMuon
contaminationMean
energy
HE 0.25-0.3°96% (GRB) 68% (SN)
<0.1% ~7 TeV
Directional 0.3-0.4°90% (GRB) 50% (SN)
~2% ~1 TeV
D. Dornic – Reunion PCHE – Toulouse Sept 2012
Example of directional alerts
D. Dornic – Reunion de la SF2A – Marseille 2010
Réseau de télescopes optiques
TAROT
ROTSE
ZATCORotse: arrêt novembre 2012
SkyMapper: Fin 2012Swift/XRT: octobre 2012
SkyMapper
SWIFT
Caractéristiques des télescopes
D. Dornic – Reunion PCHE – Toulouse Sept 2012
Caractéristiques des télescopesLe suivi avec quel télescope ?
1)Télescopes optiques grand champ:
- TAROT/ROTSE: grande facilité d’accès, travail en collaboration efficace, très grand champ (2°x2°) mais qualité d’image pauvre et limité en sensibilité (16-17mag)
==> A nous de faire l’analyse d’images
- PTF/SkyMapper: accès difficile d’accès (nombre limité d’alertes suivies), très grand champ, bonne qualité d’image et bonne sensibilité (19-20mag) + Zadko
==> les résultats de l’analyse d’image sont directement fournis
2) Satellite X en complément
- Swift / XRT: accès limité (~10 alertes/an), fov limité (23.6 arcmin) uniquement pour le suivi rapide
D. Dornic – Reunion PCHE – Toulouse Sept 2012
Conditions on alert coordinates to be instantaneously visible :
- Direction elevation > 7° - Sun elevation < 0
- Moon elevation < 0 || (moon elevation > 0 && dmoon > 25°)
Not considered:- Atmospheric effects (20-30% efficiency loss)- Maintenance periods (10-20% efficiency loss)
Optimistic values
Follow-up efficiency = P(ra,dec) visibility optic Tel x P(ra,dec) visibility neutrino Tel
Efficacité du suivi optique
IceCube
P(ra,dec) visibility optic Tel P(ra,dec) visibility neutrino Tel
ANTARES
D. Dornic – Reunion PCHE – Toulouse Sept 2012
Dans une situation idéale , considerons tous les 6 telescopes actifsP
(ra,
dec)
vis
ibili
ty o
ptic
Tel
Dec
20° step in RA
D. Dornic – Reunion PCHE – Toulouse Sept 2012
Efficacité du suivi optique
ANTARES visibility IceCube visibility
D. Dornic – Reunion PCHE – Toulouse Sept 2012
Dans une situation idéale , considerons tous les 6 telescopes actifs
Efficacité du suivi optique
• NO Rotse network • Tarot Chili + Calern only
ANTARES IceCube
Probabilité moyenne de suivi: 30-50% pour les alertes de ANTARES et ICECUBE Doit être réduite de ~30% si on prend en compte les effets atmosphériques (valeurs de Tarot)
D. Dornic – Reunion PCHE – Toulouse Sept 2012
Dans une situation où seuls les 2 TAROT telescopes sont actifs
Efficacité du suivi optique
Suivi optique
Observations « promptes » Observations du suivi long
NEUTRINO
ALERT ! T(<1day) T+7 T+9 T+15T+16
T+27
T+28
T+60
Stratégie d’observation pour TAROT/ROTSE adaptée pour trouver n’importe quel type de source transitoire pouvant être associé au
neutrino
Ex: Courbe de lumière pour une rémanence de
GRB et pour une supernovae Ib,c
D. Dornic – Reunion PCHE – Toulouse Sept 2012
Statistiques du suivi optique
D. Dornic – Reunion PCHE – Toulouse Sept 2012
Str
atég
ie:
14 n
uits
pou
r T
AR
OT
et
RO
TS
E
Analyse d’images: méthodeDeux chaines d’analyse d’images indépendantes: 1) Extraction des objects - Calibration astro/photométrique 2) Soustraction des images 3) Inspection visuelle des résidus / Courbe de lumière
PSF matched
ImageFrom TAToO follow-up
Reference image later observation (No signal) Residual image
Cuts on: SNR, Flux variation, FWHM …
D. Dornic – Reunion PCHE – Toulouse Sept 2012
D. Dornic – Rencontres de Moriond 2009
Qualité des images très variables3 images: même temps de pose, même champ, même télescope
D. Dornic – Reunion PCHE – Toulouse Sept 2012
Mauvais résidus à éliminer automatiquement ou lors de la dernière inspection visuelle
Analyse d’images
Exemple de bon résidus dans le cas de détection réelle de SN par Rotse
D. Dornic – Reunion PCHE – Toulouse Sept 2012
Analyse d’images
Analyse des images “promptes” Interprétation de ces limites dans le cas des rémanences de GRB
Pour contraindre les GRB comme source des neutrinos sélectionnés, besoin de plus d’alertes avec des images prises plus rapidement après le trigger neutrino et de meilleure qualité: - Télescopes optiques plus grands (ZADKO, SkyMapper, PTF..) - Swift/XRT: indépendant des conditions atmosphériques
Hypothèse: émission de neutrino simultannée à celle des rayons gamma
U.L. comparées à la distribution de toutes les rémanences de GRB mesurées en
optique (Kann et al 2010)
D. Dornic – Reunion PCHE – Toulouse Sept 2012
Analyse des images du suivi longRecherche d’un signal transitoire dont la magnitude varie à l ’échelle de la journée
ou de la semaine. Exemple: supernovae…
Détermination de l’efficacité de détection d’une supernovae: injection de 100 SNe dans une alerte typique suivant le template de Nugent Ib,c
Exemple de courbe de lumière
Résidu S
Ne
Efficacité de détection des SNe
<Mlim>
Mag
nitu
de
DateD. Dornic – Reunion PCHE – Toulouse Sept 2012
Analyse des images du suivi long48 alertes envoyées aux télescopes depuis 2010, 44 (40) alertes avec au
moins 1 (3) observation(s): 2010 => 12 alertes envoyées, 11 suivies, 10 avec Nobs>2 2011 => 28 alertes envoyées, 25 suivies, 22 avec Nobs>2 2012 => 8 alertes envoyées, 8 suivies, 8 avecNobs>2
Méthode: coadd de toutes les images de chaque nuit => soustraction de ces images avec l’image de référence => inspection des résidus
Sur 10 alertes analysées, aucun candidat transitoire ayant une courbe de lumière ressemblant à celle d’une SN Ib,c n’a été détecté
contraintes sur le plan (Ejet, ρ(SNjet/SN))
Prédiction modèle Ando & Beacom (2005) et Waxman (2010): pour une SN située à 10 Mpc ayant un jet de 3. 1051 erg et dans une fenêtre temporelle de 10 s:
D. Dornic – Reunion PCHE – Toulouse Sept 2012
Extension à Swift/XRTBut: suivi en X-ray: information complémentaire et augmentation de la sensibilité aux GRB (suivi rapide)
Swift/XRT: 0.2-10keV mais fov=23.6arcmin
D. Dornic – Reunion PCHE – Toulouse Sept 2012
Stratégie: accord pour 1 suivi par mois => envoi uniquement des alertes HE (meilleure PSF: 0.3-0.4° 1sigma) => 4 pointées par champ: 72% d’événements dans le champ (#E-2) => 2ks de temps d’observation
Observations: 1) Réponse automatique au ToO (priorité 1)=> analyse on-line 2) Seulement un candidat intéressant est détecté (source X non corrélée avec un flux au dessus de la limite RASS ou décroissant), le suivi continuera pendant quelques jours (priorité 2)
Perspectives
Système d’envoi d’alertes opérationnel depuis 2009: - Envoi en qq 10s avec une précision de 0.3-0.5° (1σ) - 63 alertes envoyées dont 47 avec un suivi > 2 nuits
Analyse d’images faite avec 2 chaines d’analyse indépendantes - Résultat sur l’analyse des images promptes: pas de candidat - Analyse des images du suivi long en cours: sur une dizaine
d’alertes: pas de candidat SNe
Futur du suivi optique: TAROT, Rotse, Zadko, SkyMapper + Swift/XRT
D. Dornic – Reunion PCHE – Toulouse Sept 2012