Optical follow-up of high energy neutrinos detected by the ANTARES telescope D. Dornic (CPPM) M....

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:


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


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


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


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


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


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


Dans une situation idéale , considerons tous les 6 telescopes actifsP

(ra,

dec)

vis

ibili

ty o

ptic

Tel

Dec

20° step in RA



ANTARES visibility IceCube visibility


Dans une situation idéale , considerons tous les 6 telescopes actifs


• 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)


Dans une situation où seuls les 2 TAROT telescopes sont actifs


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


Statistiques du suivi optique


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 – Rencontres de Moriond 2009

Qualité des images très variables3 images: même temps de pose, même champ, même télescope


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


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)


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:


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


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


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