A Multi-wavelength Study of Unidentified Objects in the Second Fermi Gamma-Ray Catalogue

The research field of the gamma-ray astronomy is new and rapidly grown, providing remarkable and promising scientific results. In the last decades, the development of new gamma-ray detectors on board satellites as the AGILE and the Fermi observatories, or groud-based instruments as the Imaging Atmospheric Cherenkov Technique telescope MAGIC, lead up to a big increase in the number of discovered gamma-ray emitters. Different types of astrophysical sources have been identified as gamma-ray emitter classes, of Galactic and extragalactic origin, such as Supernova Remants, Pulsars, Microquasars and Active Galactic Nuclei. Moreover, it has been suggested that gamma-ray radiation can be also related to annihilation/decay processes of Dark Matter particles expected in several celestial objects with high DM density as the Galactic Center, the Galaxy clusters, the Dwarf Spheroidal Satellite Galaxies of the Milky Way and finally the clumps of DM overdensities within the DM halo of our Galaxy. The aim of this PhD Thesis is both searching for gamma-ray signals from DM particles and combining the time-progressive all-sky Fermi survey with dedicated pointed observations performed by the Cherenkov telescopes. To perform this purpose, this Thesis work followed two different, but deeply related paths. The first part of this Thesis has adopted the Second Catalogue of the Fermi Gamma Ray Observatory (2FGL) as the main dataset for searches of new classes of extragalactic sources, DM objects candidates or unexpected high-energy phenomena. The Fermi mission has carried out a survey of the all sky at the gamma-ray energies from 30 MeV to 100 GeV, making use of the large area and field of view of the LAT instrument. In the 2FGL catalogue, 1873 points sources are detected: 1297 have been associated as known class of gamma-ray emitters, while the remaining 576 objects, the so-called Unassociated Fermi Objects (UFO), still lack a plausible identification and offer the best chance to search for DM sources. The population of the UFOs is the second major component of the gamma-ray sky and we selected a sub-sample of 183 UFOs of high Galactic latitude with |b|>20° (avoiding the confusion effects in the Galactic plane) with the aim to classify these sources and to determine if, among them, there are new types of AGNs, DM object candidates or unexpected high-energy phenomena. For each UFO of our sample we search for counterparts in optical, X-ray and radio band, in order to determine a possible association with a suitable set of sources of other astronomical catalogs. Then, through new tools based on multiwavelength approaches, we suggest a rather secure classification for most of them. Our UFO association procedure is primarily based on the use of available X-ray Swift satellite data that cover the FERMI error-box (typically of a few arcmins) associated to the gamma-ray detection. If an X-ray bright source is revealed within the FERMI error-box and if other sources at different wavelengths (from radio, IR and optical catalogues) are positionally coincident with the X-ray counterpart, we consider them as an unique source associated to the UFO. In addition we perform a dedicated X-ray data analysis for the X-ray counterpart found in order to determine the spectral shape in this energy band. Finally we build the UFO broad-band Spectral Energy Distribution (SED) combining the available measured fluxes at different wavelengths recovered as explained before. At this point, we perform the characterization of the SED of each our UFO, identifying it as belonging to a class of the main gamma-ray emitters. In particular for the blazar identification tool, we build a code based on the use of a library of bona-fide multi-frequency SED templates of known objects belonging to the four blazar categories: High-peaked (HBL), Intermediate-peaked (IBL), Low-peaked BL Lac (LBL), and Flat Spectrum radio Quasar (FSQR). Therefore, through the adoption of these SED template and choosing the one that models the data maximizing the likelihood, this code determines if a given UFO of our sample can be identified as a blazar object. In the same time, it provides an estimate of the redshift, still in the absence of spectroscopic observations (that is a well known issue for this kind of sources). From this procedure we obtain a reasonable classification as blazar objects for about 50 UFOs of our sample, belonging to all of the classes and with redshifts spanning from 0.2 to 1.5. This tool has been also applied on two well-known blazars, 1ES 1011+496 and PG 1553+113, used as test sources to prove the efficacy in recognizing AGN sources. Notably, we found results compatible with the real blazar class and redshift of the two test sources. Although in this PhD thesis we study UFOs of high Galactic latitude, the other category of gamma-ray emitters that we decided to consider as possible identification was also the class of microquasars. We have been encouraged to pursue this task because, during the procedure of association for some UFOs, we find set of MWL counterparts resulting in a peculiar broad-band SED similar to the those typically observed for microquasar objects. To achieve this interpretation, we built a diagnostic plot superimposing the luminosity data points of four known microquasars. If the SED points of a given UFO are located inside the regions defined by the known microquasar points, we suggest a microquasar identification for the studied object. About 15 UFOs of our sample are turned out to likely be Galactic sources, as microquasars, high galactic latitude Neutron Stars and pulsars. This could be a finding of great interest, given the small number of such objects in the 2FGL catalogue. For this reason, further investigations are ongoing. We note that for ten objects no X-ray sources in the available Swift/XRT data has been found within the Fermi error-box and, although we highlight that it might be dependent on the quality of the X-ray observations, they could be considered as the best candidates to perform DM searches. Finally, for the remaining UFOs, we cannot provide a clear identification since we found multiple sets of associations. Further observations, especially in the X-ray and radio bands, will allow us to disentangle this issue. The second line of investigation of this Thesis is in the field of very high energy (VHE) observations of Fermi sources with Cherenkov telescopes on ground, in particular with the MAGIC telescope, one of the largest IACT stereo systems and situated on the Canarian island La Palma, at 2245 m a.s.l. Such VHE data offer an invaluable astrophysical information on the sources. In this Thesis a detailed data analysis of the VHE radiation emitted by two HBL blazars, PG 1553+113 and 1ES 1011+496, is provided. Both sources have been observed in stereoscopic mode with MAGIC for a total of 12 hours and 21 hours, respectively, in order to perform a complete temporal evolution analysis of the integral flux and a detailed study of the VHE differential energy spectrum. Futhermore, the MAGIC observations were performed in the framework of dedicated multiwavelength campaigns, and for PG 1553+113 the campaign was planned in collaboration with the WEBT team involving several instruments of the north hemisphere operating at different energy bands. Simultaneous data, with a good temporal coverage, were collected from radio to VHE regimes, allowing us to sample the whole broad-band SED. The typical doubled bump shape, due to syncrothron and IC mechanisms, is showed by both sources, in agreement with the current Synchrotron Self-Compton blazar models. In addition both sources provide a modest (or any) activity in the HE, VHE and radio bands, while a clear variability in the UV and Optical regimes, related to the synchrotron bump frequencies, is present, especially for PG 1553+113. However any evidence of flare episodes have been detected. For this reasons, and thanks to high quality multiwavelength sampling of their SEDs, PG 1553+113 and 1ES 1011+496 were used as test sources to verify the efficency of our blazar identification tool (explained before) in recognizing AGN sources.

Il campo di ricerca dell'astronomia gamma è una nuova e fiorente disciplina che, seppure si sia sviluppata recentemente, è cresciuta rapidamente, raggiungendo importanti e promettenti risultati scientifici. Negli ultimi decenni, lo sviluppo di nuovi rilevatori gamma a bordo di satelliti come gli osservatori AGILE e FERMI o di nuovi strumenti di terra come il telescopio Imaging Atmospheric Cherenkov Technique (MAGIC), ha portato a un grande incremento del numero di emettitori gamma scoperti. Diversi tipi di sorgenti astronomiche sono state identificate come classi di sorgenti gamma, di origine Galattica ed extragalattiche, come resti di supernovae, pulsar, microquasar e nuclei galattici attivi. In aggiunta, è stato suggerito che la radiazione gamma può essere relazionata a processi di annichilazione/decadimento di particelle di Materia Oscura attese in oggetti celesti con alta densità di Materia Oscura come il centro Galattico, gli ammassi di galassie, le galassie sferoidali nane satelliti della nostra Galassia e infine gli agglomerati di sovradensità di Materia Oscura all'interno dell'alone di Materia Oscura della Via Lattea. Quest'ultimi sono suggeriti da svariate simulazioni numeriche all'interno del quadro dei modelli di formazione gerarchica delle strutture cosmiche e sono pensati essere isotropicamente distribuiti nel cielo. Il progetto a lungo termine di questa tesi di dottorato è la ricerca ad alta energia di segnali gamma dovuti al decadimento o all'annichilazione di particelle di Materia Oscura. Abbiamo combinato la survey Fermi, in continuo sviluppo, con dedicate osservazioni ottenute dai telescopi Cherenkov. Per raggiungere questo scopo, questo lavoro di tesi è stato sviluppato seguendo due linee guida, comunque profondamente legate tra loro sia da un punto di vista ideale che programmatico. La prima parte della tesi ha adottato il Secondo Catalogo del satellite Fermi (2FGL) come il principale dataset per la ricerca di nuove classi di sorgenti extragalattiche, di ipotetici oggetti di Materia Oscura o inaspettati fenomeni di alta energia. La missione Fermi ha prodotto una survey di tutto il cielo alle energie gamma da 30 MeV a 100 GeV, grazie all'uso della grande area di raccolta e del campo di vista dello strumento LAT. Nel catalogo 2FGL, 1873 sorgenti puntiformi sono state osservate: 1297 sono state associate con classi note di emettitori gamma, mentre i rimanenti 576 oggetti, chiamati Oggetti Fermi non Associati (UFO), ancora mancano di una plausibile identificazione e offrono, per questo motivo, una delle migliore opportunità per la ricerca di sorgenti di Materia Oscura. La popolazione degli UFO è la seconda più grande componente di sorgenti del cielo gamma e noi abbiamo selezionato un sotto-campione di 183 UFO ad alta latitudine Galattica con |b|> 20° (evitando la confusione all'interno del piano Galattico) con lo scopo di classificare queste sorgenti e determinare se, tra loro, esistono una nuova classe di nuclei galattici attivi, candidati di Materia Oscura e nuovi fenomeni ad alta energia. Per ogni UFO del nostro campione, noi siamo andati in cerca di controparti nell'ottico, nei raggi-X e nel radio, con l'obiettivo di determinare una possibile associazione con un adeguato set di sorgenti appartenenti ad altri cataloghi astronomici. Successivamente, per mezzo di nuovi strumenti che fanno uso di un approccio multibanda, suggeriamo una classificazione abbastanza robusta per molti di loro. La nostra associazione degli UFO è principalmente basata sull'uso di dati X disponibili dal satellite Swift che rientrano all'interno dell'error-box di FERMI (di solito qualche arcominuto) associata alla detezione gamma. Se una sorgente X brillante è rivelata all'interno dell'error-box di FERMI e se altre sorgenti a lunghezze d'onda differenti (dati dai cataloghi radio, IR and ottici) sono posizionalmente coincidenti con la controparte X, noi le consideriamo come l'unica sorgente associata all'UFO. In più per la controparte X trovata abbiamo eseguito un'analisi dedicata dei dati X affinchè si possa determinare l'andamento spettrale in questa banda di energia. Infine, costruiamo la Distribuzione Spettrale in Energia (SED) dell'UFO, combinando i flussi misurati disponibili alle diverse lunghezze d'onda ottenuti come spiegato precedentemente. A questo punto dell'analisi, caratterizziamo la SED di ogni UFO, nel tentativo di associarlo con una classe dei principali emettitori gamma. In particolar modo per il tool di identificazione dei blazar, abbiamo sviluppato un codice basato sull'uso di librerie di bona-fide SED templates multibanda di oggetti noti, appartenenti alle quattro categorie di blazar: High-peaked (HBL), Intermediate-peaked (IBL), Low-peaked BL Lac (LBL) e Flat Spectrum radio Quasar (FSQR). Quindi, per mezzo dell'uso di queste SED template, e scegliendo l'unica tra di esse in grado di modellare i dati con la massima probabilità, questo codice determina se un dato UFO può essere associato ad una particolare classe di blazar. Allo stesso tempo, fornisce anche una stima del redshift, anche in assenza di osservazioni spettroscopiche (che è un problema ampiamente noto per questo tipo di sorgenti). Seguendo questa procedura, otteniamo che circa 50 UFO del nostro campione possono essere ragionevolmente classificati come blazar, appartenenti a tutte le classi e con redshift che variano da 0.2 a 1.5. Questo tool è stato poi anche testato su due blazar ben noti, 1ES 1011+496 and PG 1553+113, usati come sorgenti prova per testarne l'efficienza nel riconoscere AGN: per entrambe abbiamo trovato risultati compatibili con le vere classi di appartenenza e i corrispettivi redshift. Sebbene in questa tesi di dottorato ci siamo focalizzati su UFO ad alta latitudine Galattica, noi abbiamo deciso di considerare anche un'altra categoria di emettitori gamma, cioè quella dei microquasar. Siamo stati incoraggiati a perseguire quest'analisi perchè, durante la procedura di associazione di alcuni UFO, sono state trovate delle controparti con delle peculiari SED molto simili a quelle tipicamente osservate nei microquasar. Per consolidare questa interpretazione, abbiamo perciò creato un test diagnostico sovrapponendo i punti di luminosità di quattro microquasar noti. Se i punti della SED di un dato UFO sono localizzati all'interno delle regioni definite dai punti dei microquasar noti, noi supportiamo l'ipotesi che l'UFO sia un microquasar. Circa 15 UFO del nostro campione sembrano essere verosimilmente delle sorgenti Galattiche, come i microquasar, Stelle di Neutroni ad elevata latitudine Galattica e pulsar. Questo risultato potrebbe essere di grande interesse, dato l'esiguo numero di tali oggetti nel catalogo 2FGL. Per questo motivo, ulteriori analisi sono in corso. Facciamo notare che per 10 oggetti nessuna sorgente X, nei dati disponibili di Swift/XRT, è stata trovata all'interno dell'error-box di FERMI e, sebbene questo potrebbe essere dovuto al limitato tempo di esposizione delle osservazioni, finora essi possono essere considerati come i migliori candidati per eseguire ricerche di Materia Oscura. Infine, per i restanti UFO, non possiamo fornire nessuna univoca identificazione poichè multiple associazioni sono state trovate. Ulteriori osservazioni, in special modo nella banda X e radio, potrebbero consentire di risolvere questo problema. Il secondo filone di analisi di questa tesi è legato al campo delle osservazioni delle sorgenti Fermi nelle più energetiche bande di energia, sfruttando i telescopi di terra. In particolare con il telescopio MAGIC, uno dei più grandi sistemi stereo IACT, situato sull'Isola di La Palma alle Canaria, a 2245 sul livello del mare. Tali dati ad altissima energia offrono preziose informazioni astrofisiche della sorgente. In questa Tesi, un'analisi dati dettagliata della radiazione ad alta energia emessa da due blazar HBL, PG 1553+113 and 1ES 1011+496, verrà presentata. Entrambe le sorgenti sono state osservate in modalità stereoscopica con MAGIC, rispettivamente per un totale di 12 e 21 ore, con lo scopo di ottenere un completo studio dell'evoluzione temporale del flusso integrato e un'analisi dettagliata dello spettro differenziale ad alta energia. Inoltre, le osservazioni MAGIC sono state compiute all'interno di una specifica campagna multibanda, e per PG 1553+113 la campagna osservativa fu anche pianificata in collaborazione con il team di WEBT, coinvolgendo diversi strumenti dell'emisfero nord che operano in differenti bande di energia. Dati simultanei, con una buona copertura temporale, sono stati raccolti dal radio fino al regime di alte energie, consentendo di campionare l'intera SED. Il tipico comportamento spettrale a doppio picco, dovuto alla radiazione di sincrotrone e IC, viene esibita da entrambe le sorgenti, in accordo con gli attuali modelli di Synchrotron Self-Compton dei blazar. In più, entrambe le sorgenti mostrano una minima (o assente) attività nelle banda ad alta energia, altissima energia e nella banda radio, mentre una palese variabilità nell'ultravioletto e nell'ottico, collegato alle frequenze della parte dovuta al sincrotrone, è presente ed in special modo per PG 1553+113. Ad ogni modo, non è stata rivelata nessuna evidenza di episodi di flare. Per questa ragione (illustrate sopra), e grazie all'elevata qualità delle loro SED, PG 1553+113 e 1ES 1011+496 sono state usate come test per verificare la bontà del tool di identificazione dei blazar.