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

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 D. Dornic – Reunion PCHE – Toulouse Sept 2012

D. Dornic – Rencontres de Moriond 2009 Motivation D. Dornic – Rencontres de Moriond 2009

D. Dornic – Reunion PCHE – Toulouse Sept 2012 Points critiques Pour que l’expérience marche, il faut: Une très bonne résolution angulaire - Recherches de contre-parties optiques facilitées (exemple: GRB avec BATSE et BeppoSax) - Plus grand nombre de télescopes accessibles Rapidité d’envoi des alertes - Indispensable pour la recherche de sources transitoires rapides (GRB) D. Dornic – Reunion PCHE – Toulouse Sept 2012

2°x2° correspond à … M104

Sélection des neutrinos: Alertes neutrino Sélection des neutrinos: 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° Spécification: 2 alertes par mois (0.04/yr + 12/yr + 12/yr) Direction validée par 2 reconstructions indépendantes (erreur < 0.5°) GWGC catalogue, d < 20Mpc D. Dornic – Reunion PCHE – Toulouse Sept 2012

Alertes neutrino: performances Performance temporelle: 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 Précision angulaire: PSF trigger HE Trigger Angular resolution Fraction events in fov Muon contamination Mean 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 1.9° 1.9° D. Dornic – Reunion PCHE – Toulouse Sept 2012

Example of directional alerts

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

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

Caractéristiques des télescopes Le suivi avec quel télescope ? 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 D. Dornic – Reunion PCHE – Toulouse Sept 2012

Efficacité du suivi optique Follow-up efficiency = P(ra,dec) visibility optic Tel x P(ra,dec) visibility neutrino Tel P(ra,dec) visibility optic Tel P(ra,dec) visibility neutrino Tel 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 IceCube ANTARES D. Dornic – Reunion PCHE – Toulouse Sept 2012

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

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

Tarot Chili + Calern only Efficacité du suivi optique Dans une situation où seuls les 2 TAROT telescopes sont actifs ANTARES IceCube NO Rotse network Tarot Chili + Calern only 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

Suivi optique Stratégie d’observation pour TAROT/ROTSE adaptée pour trouver n’importe quel type de source transitoire pouvant être associé au neutrino NEUTRINO ALERT ! T(<1day) T+7 T+9 T+15 T+16 T+27 T+28 T+60 Observations « promptes » Observations du suivi long Ex: Courbe de lumière pour une rémanence de GRB et pour une supernovae Ib,c D. Dornic – Reunion PCHE – Toulouse Sept 2012

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

Analyse d’images: méthode Deux 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 Image From TAToO follow-up Reference image later observation (No signal) Residual image PSF matched Cuts on: SNR, Flux variation, FWHM … D. Dornic – Reunion PCHE – Toulouse Sept 2012

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

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

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

Analyse des images “promptes” Interprétation de ces limites dans le cas des rémanences de GRB 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) 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 D. Dornic – Reunion PCHE – Toulouse Sept 2012

Analyse des images du suivi long Recherche 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 Résidu SNe Efficacité de détection des SNe Exemple de courbe de lumière Magnitude <Mlim> Date D. Dornic – Reunion PCHE – Toulouse Sept 2012

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 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 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: 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)) D. Dornic – Reunion PCHE – Toulouse Sept 2012

D. Dornic – Reunion PCHE – Toulouse Sept 2012 Extension à Swift/XRT But: 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) D. Dornic – Reunion PCHE – Toulouse Sept 2012

D. Dornic – Reunion PCHE – Toulouse Sept 2012 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 D. Dornic – Reunion PCHE – Toulouse Sept 2012