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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.

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1 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)

2 D. Dornic – Reunion PCHE – Toulouse Sept 2012 Projet TAToO (2009 ) ν ANTARES Reconstruction on-line (<10ms) Trigger: multiplet / HE singlet Alerte neutrino (GCN) Temps réelEnvoi <10s 1.9° x 1.9° Couverture du ciel (>2π sr) + grand cycle utile Très bonne sensibilité (1 neutrino peut faire une découverte !!!) Pas dhypothèse sur la nature de la source Non dépendant disponibilité de trigger externe Avantages:

3 D. Dornic – Reunion PCHE – Toulouse Sept 2012 Motivation GRB 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

4 D. Dornic – Rencontres de Moriond 2009 Motivation

5 Pour que lexpérience 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 denvoi des alertes - Indispensable pour la recherche de sources transitoires rapides (GRB) Points critiques D. Dornic – Reunion PCHE – Toulouse Sept 2012

6 2°x2° correspond à … M104

7 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 dune 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

8 Performance temporelle: Alertes neutrino: performances Précision angulaire: - Reconstruction on-line+ trigger: ~3-5 s - Envoi dalerte: ~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° PSF trigger HE Trigger Angular resolution Fraction events in fov Muon contamination Mean energy HE ° 96% (GRB) 68% (SN) <0.1%~7 TeV Directional ° 90% (GRB) 50% (SN) ~2%~1 TeV D. Dornic – Reunion PCHE – Toulouse Sept 2012

9 Example of directional alerts

10 D. Dornic – Reunion de la SF2A – Marseille 2010 Réseau de télescopes optiques TAROT ROTSE ZATCO Rotse: arrêt novembre 2012 SkyMapper: Fin 2012 Swift/XRT: octobre 2012 SkyMapper SWIFT

11 Caractéristiques des télescopes D. Dornic – Reunion PCHE – Toulouse Sept 2012

12 Caractéristiques des télescopes Le suivi avec quel télescope ? 1)Télescopes optiques grand champ: - TAROT/ROTSE: grande facilité daccès, travail en collaboration efficace, très grand champ (2°x2°) mais qualité dimage pauvre et limité en sensibilité (16-17mag) ==> A nous de faire lanalyse dimages - PTF/SkyMapper: accès difficile daccès (nombre limité dalertes suivies), très grand champ, bonne qualité dimage et bonne sensibilité (19-20mag) + Zadko ==> les résultats de lanalyse dimage 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

13 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

14 Dans une situation idéale, considerons tous les 6 telescopes actifs P(ra,dec) visibility optic Tel Dec 20° step in RA D. Dornic – Reunion PCHE – Toulouse Sept 2012 Efficacité du suivi optique

15 ANTARES visibilityIceCube visibility D. Dornic – Reunion PCHE – Toulouse Sept 2012 Dans une situation idéale, considerons tous les 6 telescopes actifs Efficacité du suivi optique

16 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

17 Suivi optique Observations « promptes »Observations du suivi long NEUTRIN O ALERT ! T(<1day) T+7 T+9 T+15T+16T+27T+28 T+60 Stratégie dobservation pour TAROT/ROTSE adaptée pour trouver nimporte 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

18 Statistiques du suivi optique D. Dornic – Reunion PCHE – Toulouse Sept 2012 Stratégie: 14 nuits pour TAROT et ROTSE

19 Analyse dimages: méthode Deux chaines danalyse dimages indépendantes: 1) Extraction des objects - Calibration astro/photométrique 2) Soustraction des images 3) Inspection visuelle des résidus / Courbe de lumière PSF matched Image From TAToO follow-up Reference image later observation (No signal) Residual image Cuts on: SNR, Flux variation, FWHM … D. Dornic – Reunion PCHE – Toulouse Sept 2012

20 D. Dornic – Rencontres de Moriond 2009 Qualité des images très variables 3 images: même temps de pose, même champ, même télescope

21 D. Dornic – Reunion PCHE – Toulouse Sept 2012 Mauvais résidus à éliminer automatiquement ou lors de la dernière inspection visuelle Analyse dimages

22 Exemple de bon résidus dans le cas de détection réelle de SN par Rotse D. Dornic – Reunion PCHE – Toulouse Sept 2012 Analyse dimages

23 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 dalertes 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

24 Analyse des images du suivi long Recherche dun signal transitoire dont la magnitude varie à l échelle de la journée ou de la semaine. Exemple: supernovae… Détermination de lefficacité de détection dune supernovae: injection de 100 SNe dans une alerte typique suivant le template de Nugent Ib,c Exemple de courbe de lumière Résidu SNe Efficacité de détection des SNe Magnitude Date D. Dornic – Reunion PCHE – Toulouse Sept 2012

25 Analyse des images du suivi long 48 alertes envoyées aux télescopes depuis 2010, 44 (40) alertes avec au moins 1 (3) observation(s): 2010 => 12 alertes envoyées, 11 suivies, 10 avec N obs > => 28 alertes envoyées, 25 suivies, 22 avec N obs > => 8 alertes envoyées, 8 suivies, 8 avecN obs >2 Méthode: coadd de toutes les images de chaque nuit => soustraction de ces images avec limage de référence => inspection des résidus Sur 10 alertes analysées, aucun candidat transitoire ayant une courbe de lumière ressemblant à celle dune SN Ib,c na été détecté contraintes sur le plan (E jet, ρ(SN jet /SN)) Prédiction modèle Ando & Beacom (2005) et Waxman (2010): pour une SN située à 10 Mpc ayant un jet de erg et dans une fenêtre temporelle de 10 s: D. Dornic – Reunion PCHE – Toulouse Sept 2012

26 Extension à Swift/XRT But: suivi en X-ray: information complémentaire et augmentation de la sensibilité aux GRB (suivi rapide) Swift/XRT: keV 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: ° 1sigma) => 4 pointées par champ: 72% dévénements dans le champ (#E -2 ) => 2ks de temps dobservation 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)

27 Perspectives Système denvoi dalertes opérationnel depuis 2009: - Envoi en qq 10s avec une précision de ° (1σ) - 63 alertes envoyées dont 47 avec un suivi > 2 nuits Analyse dimages faite avec 2 chaines danalyse indépendantes - Résultat sur lanalyse des images promptes: pas de candidat - Analyse des images du suivi long en cours: sur une dizaine dalertes: pas de candidat SNe Futur du suivi optique: TAROT, Rotse, Zadko, SkyMapper + Swift/XRT D. Dornic – Reunion PCHE – Toulouse Sept 2012


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