Investigation of Gamma-ray Pulsars with the Cherenkov Telescope Array and the ASTRI Mini-array

This Thesis presents the prospects for investigating gamma-ray pulsars with future Cherenkov facilities, the Cherenkov Telescope Array (CTA) and ASTRI mini-array (possible precursor for CTA). Gamma-ray pulsars are compact astrophysical objects which emit photons with energies up to ~100 GeV. The nature of the gamma-ray emission from these sources is not fully understood. In addition, the recent detection of the Crab pulsar with Cherenkov telescopes such as MAGIC and VERITAS at very high energies (VHE, >100 GeV) challenged current theoretical models. CTA will be a next-generation ground-based VHE gamma-ray instrument, designed to achieve a sensitivity of the order of one magnitude better than that of currently operating Cherenkov installations. It will consist of two arrays, one in northern and one in southern hemisphere, each with a large number of different-sized telescopes. Early observations can be carried out with CTA precursors, such as the ASTRI mini-array. I simulated the VHE emission from the 12 most energetic Fermi pulsars. I analyzed the Fermi-LAT data of these pulsars above 10 GeV and extrapolated their gamma-ray spectra up to ~160 TeV, in order to estimate how many of them will be detectable with CTA. In addition, I performed a detailed investigation of the pulsed VHE emission from the Crab pulsar, simulating the light curve detectable with CTA. I calculated with which accuracy it will be possible to study the timing properties of this pulsar with CTA and the ASTRI mini-array. Finally, I investigated VHE gamma rays from the Vela X region. Assuming different spatial distributions for the emission from the Vela pulsar wind nebula, I calculated more realistic estimates of the significance of the Vela pulsar detection with CTA. Using different software packages (ctools and Asrtisim), I also studied the extended Vela X emission and tested the resolving capabilities of CTA and the ASTRI mini-array.

Questa Tesi contiene i risultati di uno studio dell'emissione delle pulsar a raggi gamma osservate con futuri telescopi Cherenkov, il Cherenkov Telescope Array (CTA) ed il mini-array ASTRI (uno dei possibili precursori per CTA). Le pulsar a raggi gamma sono oggetti astrofisici compatti che emettono fotoni con energie fino a ~100 GeV. La natura dell'emissione di raggi gamma da queste sorgenti non è chiara. Inoltre, la recente rivelazione di emissione di altissima energia (VHE, >100 GeV) da parte della Crab pulsar con i telescopi Cherenkov MAGIC e VERITAS reppresenta una sfida per attuali modelli teorici. CTA sarà uno strumento nuova generazione, progettato per raggiungere una sensibilità un'ordine di grandezza migliore di quella dei telescopi Cherenkov attualmente in funzione. Esso comprenderà un array in ciascun emisfero con un gran numero di telescopi di dimensioni diverse. Le prime osservazioni verranno eseguite con precursori di CTA, come il mini-array ASTRI. Ho simulato l'emissione VHE dalle 12 Fermi pulsar più energiche. Ho analizzato i dati Fermi-LAT di queste pulsar ad energie superiori a 10 GeV ed estrapolato i loro spettri gamma fino a ~160 TeV, per stimare quante di loro saranno rivelabili con CTA. Inoltre, ho eseguito un esame più dettagliato dell'emissione VHE pulsata dalla Crab pulsar, simulando la curva di luce osservabile con CTA. Ho calcolato con quali accuratezza sarà possibile studiare le proprietà del timing di questa pulsar con CTA ed il mini-array ASTRI. Infine, ho studiato l'emissione di altissima energia (VHE) dalla sorgente Vela X. Assumendo diverse distribuzioni spaziali per l'emissione della wind nebula della Vela pulsar, ho calcolato stime più realistiche delle significatività della Vela pulsar con CTA. Utilizzando diversi pacchetti software (ctools e Asrtisim), ho anche studiato l'emissione estesa della Vela X e verificato la risoluzione angolare ottenibile con CTA ed il mini-array ASTRI.