Development of New Composite Mirrors for Imaging Cherenkov Telescopes and Observations of the Two Blazar Objects 1ES 0806+524 and 1ES 1011+496 with MAGIC

This PhD thesis is addressed to the technical and scientific studies carried out in the research field of very high energy (VHE, E > 100GeV) gamma-ray astronomy, a promising discipline which is extending the frontier of our knowledge of the emission by extraterrestrial sources to the highest observable energies of the electromagnetic spectrum. Radio--loud active galactic nuclei (AGNs) are astronomical objects whose emission along relativistic jets is powered by the accretion of matter onto the disk of a supermassive black hole. Depending on the orientation of their relativistic jets, radio--loud AGNs are divided into two categories, among them the so--called blazars. Such objects present one jet oriented at small angles with respect to the line of sight of an observer. To now, the majority of detected extragalactic VHE gamma-ray emitters belongs to the class of blazars. Most of such VHE gamma-ray emitters have been discovered win the last decade thanks to the operation of the current generation of IACTs represented by the MAGIC (Major Atmospheric Imaging Cherenkov) telescopes, H.E.S.S. (High Energy Stereoscopic System) and VERITAS (Very Energetic Radiation Imaging Telescope Array System). The numerous discoveries have been possible thanks to fundamental improvements in sensitivity and the extension of the energy range of these instruments with respect to their predecessors. In addition, the cooperation with instruments observing at other energies, for example in the optical regime and in the gamma-ray range below 100GeV, has emerged to be very important. Along the travel to Earth, the VHE gamma-ray emission of distant sources is attenuated due to the interaction with the extragalactic background light (EBL). This optical to infrared radiation is composed by the star light emission which is partially reprocessed by dust and continuously redshifted by the expansion of the Universe. Due to EBL absorption of VHE gamma-ray radiation, the intrinsic spectrum emitted by blazars is deformed. Such deformation scales with increasing energy of the VHE gamma-ray and with the source distance. For this reason, the AGNs detected in VHE gamma-rays are located at relative short distances. The most distant VHE gamma-ray emitter detected so far is the blazar 3C 279 located at redshift z = 0.536. This PhD thesis is focused on two research activities: a technical and a scientific part carried out within the MAGIC and CTA collaborations. The technical research is dedicated to the development of new IACT mirrors of improved optical performance and optimized price/performance ratio for future IACTs, while the scientific research concerns the detailed analysis of the VHE gamma-ray emission of two distant blazars, 1ES 0806+524 and 1ES 1011+496, observed with the MAGIC telescopes. The status of the development of new IACT mirrors for CTA is presented together with the optical qualifications of the first prototypes. In addition, a study of the reliability of such optical qualifications is reported. The observations of the VHE gamma-ray emission of 1ES 0806+524 and 1ES 1011+496 yield a detailed measure of the differential spectra which offer the possibility to probe the EBL. Finally, the MWL coverage allows a first precise SED determination.

Questa tesi di dottorato riguarda agli studi tecnici e scientifici svolti nell'ambito dell'astrofisica delle altissime energie (VHE; Very High Energy), promettente disciplina che sta estendendo la frontiera delle nostre conoscenze dell'emissione di sorgenti extraterrestri alle energie più alte osservabile dello spettro elettromagnetico spettro elettromagnetico. I nuclei galattici attivi (AGN) detti radio loud, ovvero molto brillanti nelle frequenze radio, sono degli oggetti astronomici la cui radiazione, generata tramite l'accrescimento di materia sul disco di un buco nero supermassivo, viene emessa lungo dei getti relativistiche. Sulla base dell'orientazione dei getti relativistici, AGN radio loud sono divisi in varie categorie tra le quali quella dei blazar. Tali oggetti presentano un getto orientato con degli angoli piccoli rispetto alla linea di vista dell'osservatore. Finora, blazar rappresentano la maggioranza delle sorgenti extragalattiche di emissione raggi gamma ad altissime energie osservate nell'intervallo energetico tra 100 GeV e qualche decina di TeV con i telescopi Cherenkov del tipo IACT (Imaging Atmospheric Cherenkov Telescope). La piè parte elli sorgenti di radiazione gamma VHE è stata scoperta solo negli ultimi anni grazie ai telescopi Cherenkov di nuova generazione, MAGIC (Major Atmospheric Gamma Imaging Cherenkov), H.E.S.S. (High Energy Stereoscopic System) e VERITAS (Very Energetic Radiation Imaging Telescope Array System). Ciò che ha reso possibile queste nuove scoperte sono l'alta sensitività e l'esteso intervallo energetico di questi strumenti. Inoltre, si è rivelato molto importante la cooperazione con altri strumenti che osservano a diversi intervalli di energia, tra cui l'ottico e i raggi gamma sotto i 100 GeV (HE; High Energy). Lungo il percorso verso la terra la radiazione gamma VHE emessa da una sorgente distante viene attenuata a cause dell'interazione con la cosiddetta luce di fondo extragalattica (EBL; Extragalactic Background Light). Questa radiazione ottica ed infrarossa è composta da fotoni emessi dalle stelle e riprocessati dalle polveri, la cui energia si è diluita nel tempo a causa dell'espansione dell'Universo. A cause di questo assorbimento, lo spettro intrinsico emesso dai blazar viene deformato. Tale deformazione spettrale è una funzione crescente dell'energia del fotone gamma e della distanza della sorgente. Per questo motivo, gli AGN osservati ad altissime energie hanno una distanza relativamente corta. La sorgente più lontana nota fino ad ora è il blazar 3C 279, con un redshift a z=0.536. Questa tesi di dottorato è incentrata su due attività di ricerca, una tecnica ed una scientifica, svolte in collaborazione con l'esperimento MAGIC. Mentre la ricerca tecnica è destinata allo sviluppo di nuovi specchi con elevate proprietà ottiche ed un prezzo ottimizzato per futuri telescopi Cherenkov, la ricerca scientifica riguarda le analisi dettagliate della radiazione gamma emessa da due blazar distanti 1ES 0806+524 e 1ES 1011+486 osservati da MAGIC. In conclusione, lo stato dello sviluppo di nuovi specchi per CTA è presentato insieme con le misure ottiche effettuate per i primi prototipi. Inoltre, viene riportato lo studio sull'affidabilità ti tale misure. Le osservazioni ad altissime energie delle sorgenti 1ES 0806+524 e 1ES 1011+496 hanno portato alle misure dettagliate degli spettri differenziali il che da la possibilità di studiare l'EBL. Infine, la copertura MWL permette per la prima volta la precisa determinazione delle SED.